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本文提出了一种较为普适的制备二元和三元氮化物的改进固相交换法,制备出了一系列重要的氮化物。此外,我们对掺杂SiC的磁学性质进行了初步的研究,这些基础的科研工作旨在更加全面地认识和掌握氮化物合成的新工艺与掺杂SiC的内在特性,为其更加广泛的实际应用创造条件。本论文的主要研究结果如下:
首先,选择Li3N和金属氧化物作为反应物,通过封闭体系中的改进固相交换(MSSM)反应,制备出相应的金属氮化物。这种反应的原理是:Li3N分解出Li,Li将金属氧化物中的O夺取,生成Li2O。将金属氧化物还原成活性金属原子,活性金属原子与Li3N中的氮原子结合生成氮化物。我们认为反应过程分为两个步骤:首先金属氧化物被还原成金属原子,这将是本反应的控制步骤,第二步是氮原子和金属原子结合生成氮化物。本方法是氮化物合成方面的一个重要进展,它使人们认识到Li3N在合成氮化物方面的重要应用前景和潜在的巨大价值。
第二,合成了两类重要的三元氮化物:快离子导体Li2SiN2和Mn基反钙钛矿氮化物。采用Li3N与SiO2,SiO或Si在一个密闭的体系中进行反应制备Li2SiN2。Li3N分解出Li和N原子,Li与氧化物中的O结合生成Li2O,或与部分Si结合生成Li-Si合金,然后Li与Si和N原子结合生成快离子导体Li2SiN2,在这个过程中Li2O或者Li-Si合金先后充当了反应正向进行的驱动力。采用Li3N与金属锰和氧化物一起反应来合成Mn基反钙钛矿氮化物,反应的机制有两种可能:一是Mn与N和金属原子直接结合,一是Mn与N结合生成Mn4N,Mn4N与金属原子发生置换反应生成Mn3XN。对Mn3GaN的磁学性质进行了研究,结果显示Mn3GaN表现为自旋玻璃。
第三,笔者采用Fe,Mn和Al等做为掺杂元素制备了主相为6H-SiC的Fe掺杂SiC和Mn掺杂SiC,以及Al掺杂的4H-SiC等样品。研究结果表明,在掺杂Fe的SiC样品中,首次在热磁曲线上观察到了一个“双Tc”结构,除了位于837 K对应于Fe3Si的特征居里温度之外,在438 K首次观察到了另一个明显的铁磁转变,排除了Fe3Si超顺磁的影响,为迸一步研究Fe掺杂SiC的磁性起源提供了新的实验结果。在一个低至0.024%的Mn掺杂浓度下,在6H-SiC实现了~250 K的铁磁转变。在Al掺杂的SiC中,在实验上证明了可以在一个sp共价系统中,通过掺杂非磁性元素使得sp3杂化转变成为sp3/sp2混合杂化来产生未成对电子,进而未成对电子的自旋磁矩被结构缺陷所耦合形成长程磁有序。