几种ABO3型稀土锰铁氧化物的水热合成及其磁性研究

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ABO3型复合氧化物对A位和B位离子半径与价态具有相当大的容忍性,有利于材料掺杂改性与新体系合成。其中,ABO3型Mn、Fe基稀土复合氧化物因其丰富的磁、电等物理性质和优异的物理效应,如巨磁阻效应和多铁性等,而成为当前功能材料和凝聚态物理领域的研究热点之一。目前,人们就此开展的研究主要建立在高温合成的基础上,但许多已显示或具有潜在优异物理效应的ABO3型Mn、Fe基稀土复合氧化物属亚稳相,高温合成法难以制备高质量的单相晶体产物,影响了研究进展。水热合成为制备亚稳相开辟了一条新的途径。本文选择具有磁阻效应或多铁性的四个ABO3型Mn、Fe基稀土复合氧化物体系为研究对象,采用水热技术合成了各体系单相晶体产物,特别是一些亚稳相;对合成条件与产物晶体结构、化学组成、元素价态、微观形貌和磁、电性质进行了表征和研究。A位掺杂正交锰酸钇是磁阻效应研究中的一个典型体系,其电荷有序相及E型反铁磁对称交换收缩引起的铁电性也正成为多铁性研究中的热点。本文采用水热技术合成了正交Y1-xCaxMnO3(x=0,0.07,0.55和0.65)四个单相产物,实现了在0≤x0.25和0.5≤x≤0.75范围内合成正交单相Y1-xCaxMnO3的突破。产物均为正交单相,具有规整的形貌和良好的结晶状态。Y1-xCaxMnO3(x=0)和Y1-xCaxMnO3(x=0.07)显示类自旋玻璃行为;Y1-xCaxMnO3(x=0.55)显示明显的电荷有序、反铁磁转变和类自旋玻璃行为;Y1-xCaxMnO3(x=0.65)显示非常强的电荷有序信号和反铁磁转变,但未显示类自旋玻璃特征,低温磁化强度剧烈增加,表明体系中存在Dzialoshinsky-Moriya各向异性超交换作用。Y1-xCaxMnO3(x=0.65)在4K时显示了明显的磁滞行为,表明样品在低温下存在较强的局域短程铁磁作用。Y1-xCaxMnO3(x=0.55和0.65)显示了半导体输运性质和小磁阻效应,电导机制符合高相关电子变程跳跃模型。稀土正铁氧体(RFeO3)因其潜在的室温多铁性而成为多铁性材料研究中的又一亮点。本文采用水热技术合成了系列稀土正铁氧体RFeO3(R=Pr~Lu)单相产物,并对其合成条件与晶体结构、微观形貌和磁相变进行了系统的表征和研究。产物均为正交单相,具有规整的形貌和良好的结晶状态,晶体成核与生长受沉淀-溶解机制控制。通过磁性测量表征了Fe3+的反铁磁转变、自旋重取向转变、磁化强度反转及R3+的磁有序转变等磁相变。与传统合成方法相比,水热合成样品的磁特性表现出一定的不同之处,特别是传统非自旋重取向化合物EuFeO3和LuFeO3显现了自旋重取向迹象。正交TbMnO3、DyMnO3和HoMnO3具有较强的磁电耦合作用,引起了广泛关注。B位掺杂会引起MnO6八面体结构变化和交换作用变化,进而影响材料的性质,对研究其多铁性具有一定的启发。本文采用水热技术合成了B位锰、铁双掺杂的稀土复合氧化物RMn0.5Fe0.5O3(R=Tb,Dy和Ho)。分析表明,产物是符合化学计量比、结晶状态良好、形貌规整的正交单相化合物,B位元素均为+3价。磁性分析给出了三个样品的反铁磁转变温度和自旋重取向温区。TbFe0.5Mn0.5O3显示了磁化强度反转,高磁场能够扭转磁化强度方向,自旋重取向开始及停止温度与外磁场强度呈线性关系。TbFe0.5Mn0.5O3和DyFe0.5Mn0.5O3在低温下显现了稀土离子的反铁磁转变。三个试样在2K和300K下均显示一定的弱铁磁性。六方RMnO3具有几何铁电性,是研究较多的多铁性材料之一,但其反铁磁转变温度亟待提高。本文采用水热技术合成了Fe掺杂的六方稀土锰氧化物RMn1-xFexO3(R=Er,Tm,Yb和Lu;x=0,0.1,0.3和0.5)。结构分析显示,ErMnO3和RMn1-xFexO3(R=Tm,Yb和Lu;x=0,0.1,0.3和0.5)均为六方单相,ErMn1-xFexO3(x=0.1,0.3和0.5)为正交和六方混相。Fe掺杂使沿c轴方向的Mn-O键拉长,a-b面内的Mn-O键缩短,晶格参数c增大而a减小。Fe掺杂有效提高了产物的反铁磁转变温度TN,且提高程度与Fe掺杂量x基本呈线性关系。
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