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多铁性材料Ga2-xFexO3陶瓷的制备、结构相变与磁性研究

2020-12-24阅读(329)

多铁性材料Ga2-xFexO3陶瓷的制备、结构相变与磁性研究

论文摘要

多铁性材料,由于其同时具有铁磁有序、铁电有序或铁弹有序而且它们之间在一定温度范围内存在耦合的特性,使得这种材料在信息存储、自旋电子设备以及传感器等方面都颇具发展潜力。在所有的多铁性材料中,具有亚铁磁性的ε-GaFeO3由于具有较高的居里温度（Tc=200K）而引起各国科学家的广泛关注。通过固相烧结方法成功制备得到了一系列不同Fe含量的ε-Ga2-xFexO3（0.8≤x≤1.3）样品。讨论了ε-Ga2-xFexO3化合物的化学组成与不同阳离子位置上Fe含量的分布和高场磁化强度M以及居里温度Tc之间的关系。采用X射线Rietveld精修方法确定了不同Fe含量时样品中四个不同阳离子Fe1,Fe2,Ga1和Ga2位置上的Fe离子分布情况。随着Fe含量的增加,晶格常数a,b和c值单调增加。居里温度Tc和高场磁化强度M与单晶样品结果非常一致。根据实验确定出的不同阳离子位置上Fe离子的分布与Fe含量x的依赖关系,Tc和M可以按照一个简单的统计模型被计算出来。计算得到的Tc和M值与实验值具有很好的一致性。由于Fe离子分布的无序性,存在一部分对亚铁磁性没有贡献的无效Fe离子,这些Fe离子表现出了不同的磁学行为。在亚铁磁背景下,它们引起了明显的峰强的频率依赖性,也就是所观察到的磁阻挫效应。据报道,ε-Ga2-xFexO3化合物的磁学性质以及Fe离子在四个阳离子位置上的分布非常依赖于样品的制备方法和热处理过程。使用熔盐法制备得到的样品则表现出了独特的性质。其中慢冷ε-Ga1.1Fe0.9O3样品的交流磁化率的测量表明这种材料具有类自旋玻璃行为,而通过磁滞廻线的测量我们观察到了明显的交换偏置和磁锻炼效应。以ε-Ga1.2Fe0.8O3为前驱物,通过高温高压技术在压力为2-5GPa、400-1300°C温度条件下,获得了一种菱方相α-Ga1.2Fe0.8O3,其空间群为R（3|-）c ,晶格常数为a=5.0137（A|。） , c=13.5594（A|。）。拉曼结果的解析表明α-Ga1.2Fe0.8O3具有与α-Fe2O3和α-Ga2O3相同的拉曼激活模式。而在波数660cm-1处出现的峰则被归结为是由样品中的晶格扭曲造成的。对α-Ga1.2Fe0.8O3进行的晶格热膨胀性能测试表明,在室温-800oC温度范围内,α-Ga1.2Fe0.8O3呈现各向异性的晶格热膨胀特性,得到的晶格膨胀系数分别为:αa=9.96×10-6K-1,αc=1.2×10-5K-1。α-Ga1.2Fe0.8O3样品的FC和ZFC磁化强度曲线的分叉行为以及低温时磁滞廻线在高场下的不饱和行为都表明在α-Ga1.2Fe0.8O3中存在阻挫性质,而交流磁化率的测量则确定了这种物质存在自旋玻璃的特征。在弛豫效应中,可以明显的观察到α-Ga1.2Fe0.8O3样品的ZFC磁化强度对等待时间的依赖性。而升降温过程中FC磁化强度在停留温度处的台阶式行为表明了FC过程中存在记忆效应。对于ZFC磁化强度的记忆效应,我们发现等待与参考ZFC磁化强度曲线之差在等待温度附近给出了一个明显的低谷,但是两条曲线之间发生偏移的温度区间不仅仅局限于停留温度附近。在这种材料中,引起磁性玻璃现象的原因可能是由化学键各向异性引起的阻挫效应和Ga/Fe离子的随机分布引起的随机效应共同引起的。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题背景及选题意义
  • 3 的晶体结构和磁结构'>1.2 GaFeO3的晶体结构和磁结构
  • 3 中的轨道磁矩和磁电耦合机理'>1.3 GaFeO3中的轨道磁矩和磁电耦合机理
  • 2O3 的晶体结构及高压研究'>1.4 Fe2O3的晶体结构及高压研究
  • 1.5 材料中的自旋玻璃行为
  • 1.5.1 自旋冻结
  • 1.5.2 受挫与无序
  • 1.5.3 自旋玻璃中的物理现象
  • 1.6 陶瓷材料的制备技术
  • 1.6.1 固相烧结法
  • 1.6.2 无机化合物熔盐法
  • 1.7 本论文的主要研究内容
  • 2-xFexO3 中的磁阻挫效应'>第2章 ε-Ga2-xFexO3中的磁阻挫效应
  • 2.1 引言
  • 2.2 实验过程及分析方法
  • 2.3 Fe离子在阳离子位置上的分布
  • 2-xFexO3 的直流磁性'>2.4 Ga2-xFexO3的直流磁性
  • 2-xFexO3 的磁输运行为'>2.4.1 Ga2-xFexO3的磁输运行为
  • 2-xFexO3 的高场磁化强度和居里温度'>2.4.2 Ga2-xFexO3的高场磁化强度和居里温度
  • 2-xFexO3 的交流磁性'>2.5 Ga2-xFexO3的交流磁性
  • 2.6 本章小结
  • 2-xFexO3 陶瓷中的异常磁学现象'>第3章 熔盐法制备ε-Ga2-xFexO3陶瓷中的异常磁学现象
  • 3.1 引言
  • 2-xFexO3 样品的熔盐合成及分析方法'>3.2 Ga2-xFexO3样品的熔盐合成及分析方法
  • 2-xFexO3 样品的结构与性能表征'>3.3 熔盐Ga2-xFexO3样品的结构与性能表征
  • 2-xFexO3 的结构表征'>3.3.1 Ga2-xFexO3的结构表征
  • 3 的磁学性质'>3.3.2 熔盐淬火样品GaFeO3的磁学性质
  • 1.1Fe0.9O3 的磁学性质'>3.3.3 熔盐慢冷样品Ga1.1Fe0.9O3的磁学性质
  • 3.3.4 熔盐样品的不稳定性
  • 3.4 本章小结
  • 2-xFexO3 的相变'>第4章 高温高压下ε-Ga2-xFexO3的相变
  • 4.1 引言
  • 2-xFexO3 的高温高压合成'>4.2 α-Ga2-xFexO3的高温高压合成
  • 4.2.1 实验过程和分析方法
  • 1.2Fe0.8O3 （α-GF0.80）合成的影响'>4.2.2 压力/温度对α-Ga1.2Fe0.8O3（α-GF0.80）合成的影响
  • 1.2Fe0.8O3 化合物的压力—温度相图'>4.2.3 合成α-Ga1.2Fe0.8O3化合物的压力—温度相图
  • 1.2Fe0.8O3 晶体的结构表征'>4.3 α-Ga1.2Fe0.8O3晶体的结构表征
  • 1.2Fe0.8O3 晶体的XRD与TEM分析'>4.3.1 α-Ga1.2Fe0.8O3晶体的XRD与TEM分析
  • 1.2Fe0.8O3 晶体的Raman分析'>4.3.2 α-Ga1.2Fe0.8O3晶体的Raman分析
  • 1.2Fe0.8O3 晶体的热稳定性及热膨胀行为'>4.4 α-Ga1.2Fe0.8O3晶体的热稳定性及热膨胀行为
  • 4.5 本章小结
  • 2-xFexO3 陶瓷的磁性行为'>第5章 α-Ga2-xFexO3陶瓷的磁性行为
  • 5.1 引言
  • 2-xFexO3 的直流磁性行为'>5.2 α-Ga2-xFexO3的直流磁性行为
  • 2-xFexO3 的交流磁性行为'>5.3 α-Ga2-xFexO3的交流磁性行为
  • 2-xFexO3 中磁化强度的弛豫以及记忆效应'>5.4 α-Ga2-xFexO3中磁化强度的弛豫以及记忆效应
  • 2-xFexO3 中ZFC磁化强度的弛豫效应'>5.4.1 α-Ga2-xFexO3中ZFC磁化强度的弛豫效应
  • 2-xFexO3 中不同测量过程的记忆效应'>5.4.2 α-Ga2-xFexO3中不同测量过程的记忆效应
  • 5.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
  • 致谢
  • 作者简介

    • 相关论文文献

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