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本论文系统地研究了多铁性材料RMnO3(R=Er、Tm、Yb、Lu和Sc)的高压合成、晶体结构、物性及压力诱导的晶体结构相变。主要内容包括:
(1).用固态反应结合冷压方法合成了致密的六方结构TmMnO3多铁性材料。高压方法有效地提高了样品的致密度。在高压(5GPa)高温(1150℃)条件下,以六方TmMnO3为原料合成了正交TmMnO3多铁材料。高温介电常数和电滞回线测量结果表明六方TmMnO3具有铁电性,并首次发现铁电相变温度为348℃。在低温下,六方和正交TmMnO3都存在磁介电耦合效应,但正交相的磁电耦合作用较强。
(2).用固态反应法合成出固溶体Tm1-xGdxMnO3(0≤x≤1)系列化合物。X射线衍射表明,随着Gd3+掺杂量的增加,样品的晶体结构从六方P63cm经过六方和正交的混相区过渡到正交钙钛矿Pbnm。六方结构 Tm1-xGdxMnO3的铁电相变温度Tc和低温反铁磁相变温度TN都随着Gd3+含量的增加而减小,前者与六方结构中的MnO5多面体倾斜角度减小和Tm-O层的buckling程度减弱有关,后者是由平面内键长变长引起Mn-O-Mn超交换相互作用减弱导致。
(3).首次用高温高压方法合成了六方ScMnO3多铁材料,与传统的固态反应法合成的六方ScMnO3样品相比,该样品表现出更好的绝缘性和铁电性能。
(4).利用高压合成方法制备了具有正交RMnO3(R=Er、Tm、Yb、Lu)系列化和物。利用双波测电滞回线和热释电流积分法测量了该体系的电极化强度,发现该体系的电极化强度P随着稀土离子半径rR.的减小而单调增加,通过比较发现正交LuMnO3具有最大的电极化强度P～0.17μC/cm2；与结构数据比较发现P与平面内的Mn-O-Mn键角和Mn-O键长之间存在密切的关联,表明Mn的t2g态对电极化的贡献起主导作用而不是eg态。结合磁、比热及低温介电测量等实验手段,发现在该体系中正交LuMnO3的磁介电效应最大的。
(5).利用高压原位角散同步辐射X射线衍射研究了六方RMnO3(R=Tm、Er、Lu)多铁材料压力诱导的晶体结构相变。实验结果表明在10-30GPa的压力范围内这三种化合物都发生了从六方到正交的结构相变。根据压力作用下晶体结构变化推断这三种化合物的磁有序温度会随着压力的增加而向高温方向移动,电极化强度会随着压力的增加而减小,这将影响材料中的磁电耦合耦合作用。