Z型六角铁氧体的结构及多铁性研究

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对于多铁性材料,可以利用磁场改变材料的极化强度,反之也可以利用电场来改变材料的磁化强度,这使利用电写入和磁读出的优化存储方式成为可能,有望应用于电写/磁读式新一代高性能信息存储器件,因此引发了众多学者的研究兴趣。尤其是磁诱导的多铁性材料,由于铁磁有序和铁电有序是相互关联的,因此可能具有较强的磁电耦合,比如六角铁氧体。本论文研究了Sr3Co2Fe24O41基六角铁氧体的晶体结构、磁性及磁电性能,并分析可能的磁电耦合机制,为寻找室温下具有高磁电耦合效应的新材料提供理论依据及思路。主要研究内容及结论如下:(1)研究了Sr3Co2Fe24O41在10-720 K温度范围的磁相变,300 K以上,检测到三个相变点,分别约为640 K,480 K和350 K,对应的磁结构分别是沿c轴的亚铁磁结构,面内亚铁磁结构和横向锥形自旋磁结构。300 K以下,在~85 K和~230 K处有两个拓宽峰。通过比热容以及磁滞廻线的研究表明,在85 K和230 K附近并不存在一般的磁相变。(2)研究了Z型六角铁氧体中A位Ca离子掺杂、B位Zn离子掺杂以及C位Al离子掺杂的磁性及磁电耦合性能。当体系处于锥形磁结构时,其磁化强度随磁场“两步”增大到饱和,令第二步增大到饱和的磁场为H2。磁电容随磁场的变化行为和同温度下磁化强度随磁场的变化行为具有相关性,这表明体系存在磁电耦合。研究发现,对同一成分,磁电容最大的温度点对应的H2也最大,这表明较强的超交换作用会使非共线的螺旋自旋结构更稳定,从而获得更高的磁电耦合性能。通过A位Ca离子的掺杂将Z型六角铁氧体诱导铁电极化的磁场减小到原来的一半。通过B位Zn离子掺杂,磁有序温度有所降低,饱和磁化强度并非单调变化(以掺杂量0.8为分界点),这源自Zn2+占据位置的自旋取向发生变化,磁化强度随磁场的变化行为,由两步增大变成了三步增大达到饱和。磁结构展现精细行为,在磁电容曲线上对应“平台”效应。C位Al离子的掺杂可以明显调控体系的磁相变温度及磁结构,当Al离子的掺杂量为7%时,锥形磁结构的相变温度从原来的380 K提升到约500 K,从而使铁电相变温度高达500 K。通过对晶体结构及磁性能的研究发现,这源自掺杂后体系的磁晶各向异性及Fe-O-Fe键角的变化。(3)此外,研究了Nd Cr O3多晶样品的磁、介电和磁电特性。磁化强度随温度变化的曲线表明在227 K和38 K处存在两个磁相变,分别对应于Cr3+倾角反铁磁有序和Cr3+自旋重取向相变。在11.5 K处,观察到了肖特基型异常峰,这源于Nd3+基态能级的Zeeman劈裂。高温处的介电峰表现出一种热激活的弛豫过程,这主要是由于麦克斯韦-瓦格纳效应引起的。在Cr3+离子的自旋重取向相变温度处和Nd3+的基态能级的Zeeman劈裂温区伴有电极化出现,这是由于反铁磁型畴壁打破空间反演对称性,从而诱导了铁电极化。
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