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多铁性材料是一类同时具有两种或两种以上单一铁性(如铁磁-反铁磁性,铁电-反铁电性,及铁弹性)的材料,而且不同铁性之间的耦合协同作用可产生一些新奇的效应,例如,磁化强度和自发极化之间的磁电耦合效应,这些多功能特性为多铁性材料在电子器件等领域开启新的应用前景。在众多的多铁性材料中,BiMnO3因同时具有铁磁性和铁电性而备受人们关注。然而,因Bi基化合物的不稳定性和易挥发性,使得很难实现单一钙钛矿相的BiMnO3,另一方面,BiMnO3具有较低的铁磁转变温度Tc和室温下的高漏导性,这些都极大地限制了BiMnO3可能的应用。
本文采用溶胶-凝胶法制备了多铁性Bi1-xLaxMnO3和Bi0.8La0.2Mn1-xFexO3陶瓷样品材料,研究了烧结温度对Bi1-xLaxMnO3样品钙钛矿相的影响,从而得到了制备单一钙钛矿相Bi1-xLaxMnO3的最佳烧结温度为一窄小的温区(925~950℃),并在此基础上研究了La掺杂对Bi1-xLaxMnO3的结构和磁性能影响。最后在确定最佳烧结温度和La掺杂含量之后,进一步研究了在Mn位掺杂Fe对Bi0.8La0.2Mn1-xFexO3样品的结构与电磁性能的影响。
全文分为四章,各章的主要内容可概括如下:
第一章本章简单回顾了多铁性材料的研究及其进展,介绍了单相多铁材料匮乏的原因和几种实现铁电铁磁共存的机制。重点介绍了BiMnO3的结构和电磁性能,在此基础上,介绍了目前BiMnO3研究中面临的一些问题,并根据相关文献提出了一些可能提高BiMnO3电磁性能的方法与方案。
第二章本章主要介绍了本论文中Bi1-xLaxMnO3和Bi0.8La0.2Mn1-xFexO3样品的制备和测试表征等方法,并对每次测试的实验细节和仪器做了简要的说明。
第三章本章研究了烧结温度和La掺杂依赖的Bi1-xLaxMnO3(BLMO,0.1≤x≤0.4)样品的结构和磁性能,我们的结果显示存在一个窄小的温度区间(925~950℃),在此温度区间烧结的BLMO具有稳定的钙钛矿相。随着La掺杂减少,样品中BLMO钙钛矿相减弱,铁磁转变温度(TC)由53K降至41K,而饱和磁化强度经历了先降低再升高的变化。这可归因于La含量较少的样品中Bi空位浓度的增加诱导了Mn-O-Mn键角的减小和局域Mn4+离子的增多,使得Mn3+和Mn4+离子的铁磁超交换增强和Mn3+离子的dz2轨道有序受到局域破坏。
第四章在最佳烧结温度和La掺杂的条件下,本章我们研究了在B位掺杂Fe对Bi0.8La0.2Mn1-xFexO3(BLMFO,0≤x≤0.9)样品的结构和电磁性能的影响。XRD测试显示x=0,0.1的样品的结构具有正交对称性,而x=0.3~0.9的样品的结构则具有四方对称性,研究发现样品的磁性能与其单胞结构有强烈的依赖关系。M-T曲线和M-H曲线测量显示出样品的磁相为:x=0,0.1的样品为FM态,随Fe含量x值的增加,样品的发生FM-AFM转变,x=0.3~0.9的样品表现出FM-AFM共存的磁特征。另外,P-E曲线测量表明样品的铁电性随Mn含量的增加逐渐减弱,这归因于过量的Mn离子会导致样品中Fe2+离子含量的增加,从而增加样品的漏导。