多铁性材料外场调控介电性质研究

论文摘要

随着人们对信息存储和信息处理方面的要求逐步提高,存储器件的多功能化是必由之路。因此,对同时具有磁性和铁电性、有望实现磁电相互调控的多铁性材料的研究成为信息存储技术日趋提升的需要,具有重要的科学意义和应用前景。虽然人们已在相关领域开展了一些工作,但是在该体系中还存在一些亟待解决的问题,比如如何实现在室温附近的低场调控,并且很多材料的多铁性起源尚不十分明确。针对上述问题,本论文主要研究了若干多铁性材料的介电特性及其外场调控性质,探索了获得低场室温的介电可调性的途径,初步讨论了介电调控的起源及其与结构、磁、铁电和多铁性的关系。论文内容共分为六章,每章的主要内容分别概括如下:第一章主要综述了多铁性材料的研究进展,对每一类多铁材料的磁及铁电起源进行了概述,并详细介绍了“电子铁电体”LuFe2O4的结构和物理性能,讨论了电荷有序态对其磁电调控的重要意义。第二章我们研究了LuFe2O4体系的结构及光谱学特性,以及Mn掺杂的LuFe2O4体系的介电及多铁性质。发现在LuFe2O4的亚铁磁和铁电转变温度附近,均观察到了晶胞参数、Fe-Fe层间间距的异常变化。与此同时,拉曼和红外振动模的峰值频率随着温度的变化发生了相应的移动,并在磁和铁电转变处也出现了台阶状的突变。该结果证明了该体系中存在结构和磁性、铁电性之间的内在关联。另一方面,对LuFe2-xMnxO4（0≤x≤1）体系的磁性、介电及其磁/电场调控的研究表明,Mn掺杂抑制了体系中Fe3+和Fe2+离子之间的电荷涨落和电子跃迁,使磁有序温度、介电常数和损耗降低。并且在这些样品中观测到了室温下的低磁/电场可调的介电特性。第三章研究了石榴石型铁氧体Lu3Fe5O12的多晶和薄膜样品的基本性能。发现不同退火条件对该Lu3Fe5O12多晶样品中氧含量有着重要的影响,进而引起磁性及介电性质的变化。结果表明,经过氧气退火处理的样品具有最低的介电损耗值。在此基础上,利用磁控射频溅射方法对Lu3Fe5O12外延薄膜样品的制备工艺进行了初步的探索,发现不同的沉积温度、气氛、退火条件等对该系列薄膜的磁性有着及其重要的影响。第四章介绍了可能的电荷有序多铁材料La1-xCaxMnO3电场调控的介电特性。通过研究不同组分（0.6≤x≤0.8）的La1-xCaxMnO3介电及阻抗特性,发现该体系中存在很大的介电调制效应,10 V/cm的电场下就有80%以上的介电常数变化,并且发现其调制效应与Maxwell-Wagner非本征效应密切相关,同时电荷有序态的稳定性也决定着介电调制的大小和可调频率范围。第五章研究了（1-x） La2NiMnO6-（x） La2/3Sr1/3MnO3复合体系的磁介电效应。发现该体系中存在着较大的室温磁介电效应,并且其磁介电数值随着x非单调变化,在x = 0.4时最大,该组分样品在1 kOe的磁场下可以获得20%的室温磁介电变化。该体系在较宽的温度和频率范围内都能观察到较强的磁介电效应。第六章介绍了光学浮熔区法生长Y/DyMnO3多铁性单晶的制备工艺、结构表征及其基本物性测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 多铁材料的研究进展
• 1.1 引言
• 1.2 多铁性材料概述
• 1.3 多铁性材料分类
• 1.3.1 具有孤对电子的阳离子引发的铁电性
• 1.3.2 晶格畸变引发的几何铁电性
• 1.3.3 非共线螺旋自旋引发的铁电性
• 1.3.4 电荷有序引发的铁电性
• 2O₄丰富的物理性质'>1.4 LuFe₂O₄丰富的物理性质
• 2O₄的结构'>1.4.1 LuFe₂O₄的结构
• 2O₄的磁性质'>1.4.2 LuFe₂O₄的磁性质
• 2O₄的电荷有序和铁电性'>1.4.3 LuFe₂O₄的电荷有序和铁电性
• 2O₄的磁电耦合及其物性的磁场、电场调控'>1.4.4 LuFe₂O₄的磁电耦合及其物性的磁场、电场调控
• 2O₄掺杂体系中的磁、电等性能'>1.4.5 LuFe₂O₄掺杂体系中的磁、电等性能
• 1.5 本章小结
• 参考文献
• 2O₄体系的微结构及介电性质研究'>第二章 多铁性材料 LuFe₂O₄体系的微结构及介电性质研究
• 2.1 引言
• 2.2 样品制备与实验方法
• 2.2.1 样品的制备
• 2.2.2 晶体结构与振动光谱的测量
• 2.2.3 电阻及磁化强度的测量
• 2.2.4 介电及介电调控性质的测量
• 2.3 实验结果与讨论
• 2O₄体系的晶体结构'>2.3.1 LuFe₂O₄体系的晶体结构
• 2O₄体系的光谱学特性'>2.3.2 LuFe₂O₄体系的光谱学特性
• 2O₄体系的磁性和电阻行为'>2.3.3 LuFe₂O₄体系的磁性和电阻行为
• 2O₄体系的介电行为'>2.3.4 LuFe₂O₄体系的介电行为
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 3Fe₅O₁₂体系多晶和薄膜的介电性质研究'>第三章 Lu₃Fe₅O₁₂体系多晶和薄膜的介电性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 样品制备与实验方法
• 3.2.1 样品的制备
• 3.2.2 晶体结构及电子自旋共振谱的测量
• 3.2.3 磁化强度、介电性质的测量
• 3.3 实验结果与讨论
• 3Fe₅O₁₂体系的晶体结构'>3.3.1 Lu₃Fe₅O₁₂体系的晶体结构
• 3Fe₅O₁₂体系多晶样品的磁性质'>3.3.2 Lu₃Fe₅O₁₂体系多晶样品的磁性质
• 3Fe₅O₁₂体系多晶样品的介电性质'>3.3.3 Lu₃Fe₅O₁₂体系多晶样品的介电性质
• 3Fe₅O₁₂体系薄膜的磁性质研究'>3.3.4 Lu₃Fe₅O₁₂体系薄膜的磁性质研究
• 3Fe₅O₁₂体系薄膜的介电性质'>3.3.5 Lu₃Fe₅O₁₂体系薄膜的介电性质
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 1-xCa_xMnO₃电荷有序态体系的介电调制效应'>第四章 La_1-xCa_xMnO₃电荷有序态体系的介电调制效应
• 4.1 引言
• 4.2 样品制备和实验方法介绍
• 4.2.1 样品制备和处理
• 4.2.2 晶体结构的测量
• 4.2.3 介电性质和阻抗谱的测量
• 4.3 实验结果与讨论
• 1-xCa_xMnO₃的晶体结构'>4.3.1 多晶La_1-xCa_xMnO₃的晶体结构
• 1-xCa_xMnO₃（0.60 ≤x ≤0.80）的介电性质'>4.3.2 La_1-xCa_xMnO₃（0.60 ≤x ≤0.80）的介电性质
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 2NiMnO₆-（x）La_2/3Sr_1/3MnO₃体系的磁介电效'>第五章 （1-x）La₂NiMnO₆-（x）La_2/3Sr_1/3MnO₃体系的磁介电效
• 5.1 引言
• 5.2 样品制备和实验方法介绍
• 5.2.1 样品制备和处理
• 5.2.2 晶体结构、磁性质和I-V性质的测量
• 5.2.3 介电性质和阻抗谱的测量
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 LNMO-LSMO复合体系的晶体结构和磁性质
• 5.3.2 LNMO-LSMO复合体系的介电性质及其磁场调控性质
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 3体系的单晶制备及其物性测量'>第六章 RMnO₃体系的单晶制备及其物性测量
• 6.1 引言
• 3（R=Y,Dy）单晶生长及表征'>6.2 RMnO₃（R=Y,Dy）单晶生长及表征
• 6.2.1 多晶原料棒的制备
• 6.2.2 光学浮熔区单晶生长法
• 3单晶的结构表征'>6.2.3 RMnO₃单晶的结构表征
• 3单晶的磁性'>6.2.4 RMnO₃单晶的磁性
• 3单晶的介电性质'>6.2.5 RMnO₃单晶的介电性质
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢