Cu掺杂有序Sr3YCo4O10.5+δ材料体系的烧结相变及热电磁性能研究

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四方超结构Sr3YCo4O10.5+δ材料因其有序结构和高Tc~335 K被广泛研究,发现A位(Sr/Y)有序和氧空位有序是室温铁磁性产生的关键因素;此外,掺杂可以调制Sr3YCo4O10.5+δ的结构和物理性能。本论文采用不同烧结工艺制备了Sr4-xYxCo(x=0,1.0)和Sr3YCo4-xCuxO10.5+δ(x=0~3.0)系列多晶,系统研究了原料在固相烧结过程中的相变,尤其是有序化相变,并对多晶的结构、微观形貌、热电磁输运性能及Cu掺杂效应进行了较深入表征及讨论。本文采用固相反应法在空气中以1180℃/24 h+1180℃/24 h烧结制备了四方超结构Sr3YCo4O10.5+δ及六方2H型Sr CoO2.52多晶;在氮气中以1180℃/24 h制备了六方2H型Sr1-xYxCoO2.52多晶。在空气中原料烧结968℃时形成四方Sr3YCo4O10.5,1042℃时发生吸氧(δ)放热相变,推测形成Sr3YCo4O10.5+δ并完成有序化,这被XRD的衍射峰(103)、(215)所证明。再结合空气/氮气中烧结Sr CoO2.52和Sr1-xYxCoO2.52时未发现吸氧,证明1000℃以上的充分吸氧是形成四方超结构的关键。Sr3YCo4O10.5+δ多晶为半导体热电输运行为,具有室温铁磁性,Tc(ZFC)=328-332 K、Tc(FC)=332 K,归因于结构有序导致不同自旋态Co3+离子的磁矩以G-type有序排列;ZFC曲线,在Tc出现的Hopkinson证明了多晶具有磁晶磁畴各向异性,使T=350、280、200、4 K时的M-H曲线不对称性,出现交换偏置现象,HEB=-0.56 KOe~11.36 KOe。二次烧结晶体结构和磁的有序程度提高,磁化强度增大,电阻率降低,热电势增大。采用固相反应法以1100℃/24 h在空气中一次烧结制备了Cu掺杂Sr3YCo4-xCuxO10.5+δ(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,2.0,3.0)系列多晶,再以1100℃/24 h二次烧结制备Sr3YCo4-xCuxO10.5+δ(x=0,0.2,0.4)。当x=0~0.4,在1042℃形成单相四方超结构Sr3YCo4-xCuxO10.5+δ多晶,晶粒尺寸和密度增大。当x=0.6~3.0,978℃在晶界形成低熔点单斜富铜相,熔点为1092~1120℃,x=0.6~1.0的富铜单斜相的空间群为Cc,a=2.91、b=6.92、c=3.94(?),x=2.0~3.0的富铜单斜相的为Pc,a=2.91、b=6.92、c=3.94(?)。Cu固溶度在0.4~0.6之间。固溶范围内的多晶为半导体热电输运。随着Cu掺杂量的增加,空穴载流子的迁移率和浓度增大,导致电阻率明显下降;载流子浓度和自旋熵的提高使x=0~0.2多晶的热电势不变,x=0.4的热电势降低。磁化强度和Tc随Cu掺杂而降低,Tc=320 K~271 K,磁结构由G-型反铁磁变为铁磁,归因于Co3+离子自旋态降低。
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