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多铁性材料是指同时具有两种或两种以上的铁性(铁电性、铁磁性和铁弹性等)的一类新型多功能材料,由于各种铁性同处于一个体系中,它们之间不可避免将发生相互作用,从而可以实现不同功能问的互相调控,具有丰富的物理背景以及巨大的应用前景,因此成为最近几年凝聚态物理研究领域的热点之一。
对于单相多铁性材料,目前绝大多数材料只在极低温下才表现出铁性和磁性的共存,同时由于很多备选的磁电材料都非良好的绝缘体,使得这些材料很难保持足够的电场以使电极化反转,因而对单相多铁性材料的磁电耦合测量十分不易,且由于在多铁性材料里磁和介电耦合对于磁性存储器信息读取设备亦非常有应用价值,因此目前常采用测量材料的磁介电效应来对多铁性材料进行评价。而从实际应用的角度出发,材料必须在室温下存在较大的磁介电效应,但遗憾的是目前室温下存在较大磁介电效应的多铁材料也是寥寥无几。
对于复合多铁性材料的研究,0-3/3-3型复合材料中铁磁相粒子在基体相中的分散均匀性是获得大的磁电输出的先决条件。因此,本论文的工作主要集中在对镥铁氧体材料和CoFe2O4/PbZr0.52Ti0.48O3复合体的多铁性能研究。主要成果如下:
1.Lu3Fe5O12陶瓷多铁性能的研究:首次研究了磁性绝缘体材料Lu3Fe5O12陶瓷的温度介电谱,发现存在介电弛豫行为,X射线光电子能谱(XPS)结果证实引起介电弛豫的机制可能是偶极效应和Fe2+与Fe3+之间的电荷跳跃。同时我们首次观测到该材料在室温下具有较大的磁介电和磁电效应,并对其耦合机制进行了初步的探讨。
2.镁掺杂对Lu3Fe5O12陶瓷多铁性能影响的研究:首次研究了Mg掺杂对Lu3Fe5O12陶瓷磁性能的影响,发现通过不同比例的Mg掺杂,可以调控其磁性。对其红外光谱及拉曼光谱的研究证实了当掺入少量的镁离子时,的确将优先取代八面体a位的铁离子,而当镁离子的掺杂量达到一定程度后,就会开始进入四面体d位,从而对材料的磁性产生影响。同时Mg的掺入也会对其介电性能产生相应的影响。对样品XPS谱的研究发现当Mg2+的掺杂量达到一定程度后,将会大大抑制材料中Fe2+的产生。这些结果表明正是由于Mg2+的掺入对Fe2+的调控导致在Lu3Fe4.85Mg0.15O12陶瓷中观测不到磁介电和磁电效应,从而使我们对纯Lu3Fe5O12陶瓷磁介电和磁电的耦合机制的推测有了较为深刻的理解。
3.Lu1-xBixFeO3系列陶瓷样品的性能研究:对纯LuFeO3陶瓷的磁性研究发现其室温磁性较弱,矫顽场较大。而对纯LuFeO3陶瓷的温度介电谱的研究表明存在介电弛豫,并根据Arrhenius拟合结果对其机制进行了初步的探讨。同时首次发现A位Bi的掺杂有助于提高LuFeO3陶瓷样品的磁性能,并对其介电性能的也会产生相应的影响,而具体的掺杂改性机制目前仍在进一步的实验研究中。
4.xCoFe2O4/(1-x)PbZr0.52Ti0.48O3复合体磁电性能的研究:研究了xCoFe2O4/(1-x)PbZr0.52Ti0.48O3复合体陶瓷样品中铁磁相CoFe2O4含量对其微观畴结构、电学特性、磁学特性和介电性能的影响,发现铁磁相的含量以及分散性对磁电复合材料性能的影响是至关重要的。