极性亚铁磁Mn2Mo3O8的多铁性及其调控

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多铁性材料是指具有两种或两种以上基本铁性序(如铁磁性、铁电性、铁弹性和铁环性)的新型功能材料。多铁性蕴含丰富的物理,实现了时间反演对称破缺和空间反演对称破缺共存,在信息科学领域具有重要应用前景,是过去近20年凝聚态与材料物理的前沿热点。本论文以极性亚铁磁体Mn2Mo3O8为研究对象,深入研究其中多重铁性序的共存与耦合,揭示掺杂、外场等方式调控产生的相变等现象与机理。论文内容主要分为以下几个方面:(1)概述了多铁性材料的研究背景,以及磁有序诱导铁电性的微观机制。系统介绍了钼铁矿家族A2Mo3O8(A=Fe,Mn,Co,Ni)的基本物理性质和研究进展。并由此给出本论文的研究动机。(2)简要介绍了材料的制备工艺、表征方法、物性测量技术及测量原理。详述了利用化学气相传输法成功制备一系列(Mn1-xAx)2Mo3O8(A=Fe,Co)单晶材料的实验过程。(3)研究了Mn2Mo3O8单晶的多铁性。磁性测量揭示了Mn2Mo3O8单晶的亚铁磁性。由于Mn2Mo3O8中存在两套处于不同晶格位置的Mn2+离子,导致亚晶格离子的磁化行为对温度的响应不同,产生丰富的磁化现象。电极化测量表明Mn2Mo3O8晶格内不仅存在磁相变导致的铁电相变,还存在极性晶格热释电导致的铁电极化。磁场诱导Mn2Mo3O8单晶发生磁相变时,伴随着电极化的改变,磁有序的改变驱动铁电极化的产生。(4)系统地研究了Fe掺杂调控Mn2Mo3O8的多铁性与磁电效应。Fe2+离子掺杂使晶格常数a略微减小,约为0.4%,而晶格常数c明显减小,约为2%,晶胞的体积也随之减小,体系的晶格结构发生明显改变。Fe2+离子的掺杂量可以调控(Mn1-xFex)2Mo3O8体系亚铁磁相和反铁磁相的竞争,当掺杂量达到75%时,其磁基态从亚铁磁态转变为反铁磁态。根据磁性测量数据,分别作出(Mn1-xFex)2Mo3O8单晶x-H和x-T磁相图,呈现了(Mn1-xFex)2Mo3O8体系在温度和磁场诱导下的丰富磁相变。利用(Mn1-xFex)2Mo3O8体系零磁场的剩余磁矩,计算出Fe2+离子在A1位和A2位的占据比约为2:3。Fe2+离子的掺杂使体系的铁电极化强度显著减小,但铁电转变温度向高温移动,并且与(Mn1-xFex)2Mo3O8体系的亚铁磁相变温度TC很好对应,表明具有第二类多铁性特征。进一步,我们看到磁场能够诱导的磁相变,从而导致铁电序发生改变,出现磁电耦合现象。(5)系统地研究了Co掺杂对Mn2Mo3O8单晶磁性的影响。Co2+离子掺杂使晶格在在c方向发生明显收缩,晶胞体积减小,且Co掺杂对(Mn1-xCox)2Mo3O8体系的晶格结构产生的影响比Fe掺杂更加显著。Co2+离子的掺杂量可以调控(Mn1-xCox)2Mo3O8体系亚铁磁相和反铁磁相的竞争。磁性测量结果显示了(Mn1-xCox)2Mo3O8体系在温度和磁场诱导下的丰富磁相变。与Fe掺杂的(Mn1-xFex)2Mo3O8体系相比,Co2+离子掺杂更容易诱导(Mn1-xCox)2Mo3O8体系磁结构的改变,更少量的Co2+离子(35%)掺杂即可改变Mn2Mo3O8体系的磁基态,实现磁相变。
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