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钙钛矿结构材料ABO3是一种多功能材料,它在电性、磁性和材料的气敏性上表现出了优异的性能,从而受到科研工作者的亲睐。钙钛矿结构材料在宏观上表现出来的性能并不是相互独立的,它们之间有着紧密的联系。
磁电耦合常常在铁电(反铁电)和铁磁(反铁磁)共存的多铁材料中发现。由于铁电和铁磁很难共存,多铁材料是很稀少。尽管如此,在钙钛矿结构的RFeO3(R为稀土)体系中仍然发现了多铁。RFeO3有非极性群Pbnm,有趣的是,在这类中心对称的结构中发现了铁电。科研工作者们认为这种不寻常的铁电是由于稀土离子和铁离子的倾斜的自旋结构和它们的反铁磁序列决定的,这种磁性和电性的相互关联预示了钙钛矿结构RFeO3有着很强的磁电耦合效应,因此近年来成为研究领域的热点。在RFeO3中,大部分磁电耦现象是在低温,不利于实际应用。本文对RFeO3体系中的NdFeO3和Nd1-xSmxFeO3(x=0.2,0.4)做了室温下的磁性和电性的耦合。
多功能钙钛矿结构材料的电性不仅受磁性的影响,还和材料的气敏性有着紧密的联系。我们常常通过测量介电常数和电导的变化来确定材料的气敏性能,但是它们之间的关系很少有人研究,通过XPS我们发现变价的铁离子在材料的气敏性能和材料的电性上起着桥梁的作用。
本论文主要得出以下结论:
1.我们测量了室温以下NdFeO3的M-T曲线,观察到NdFeO3的磁结构变化,这些磁结构的变化伴随着介电常数的变化,尤其是在自旋重取向的温度范围。我们测量了不同温度下的M-H曲线,发现在自旋重取向温度范围内矫顽力变小。NdFeO3在低温下磁电耦合效应是很明显。
2.在室温以上我们测量了NdFeO3的M-T曲线,找到了反铁磁相变温度在680K,通过室温的M-H曲线证明了铁磁成分的存在。在14kOe的磁场下,当E(//)H和E上H时,我们分别观察到磁矩随矩形周期电场发生弛豫和迅速的周期性变化。同时我们施加不同磁场,通过介电频谱图观察到室温磁介电效应。在介电和温度的关系ε-T曲线上,我们观察到介电弛豫现象,这可能和极化子在变价铁之间的跳跃有关。
3.在单相的Nd0.8Sm0.2FeO3中,我们观察到室温磁介电现象。我们分别测量了Nd0.8Sm0.2FeO3的室温M-H和在7.5kV/cm电场下的M-H,发现电场作用使得Nd0.8Sm0.2FeO3磁矩增大,同时在矩形周期电场作用下,我们观察到了受电场调控的磁矩。在单相Nd06Sm04FeO3中,我们在不同磁场下的介电频谱图上看到了室温磁介电效应。当E(//)H时,不同于NdFeO3和Nd0.8Sm0.2FeO3,我们看到磁矩随着矩形周期电场的变化是瞬时的。总之,我们在室温下研究了材料的磁性和电性之间的强烈耦合。
4.我们研究了钙钛矿结构材料La1-xBaxFeO3(x=0,0.1,0.2,0.3)的电学性质和气敏性的关系。通过分析XPS图谱,我们发现Fe4+/Fe3+的比例与La1-xBaxFeO3(x=0,0.1,0.2,0.3)的电阻呈反相关,和材料的气敏性表现一致。铁离子的桥梁作用将钙钛矿结构材料的电学性能和气敏性能联系在了一起。因此,在多功能材料RFeO3体系中,材料的磁学、电学、气敏性能有着非常紧密的联系。