新型多铁性化合物的合成、结构与性质研究

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多铁性材料是指在一定温区内同时具有铁电(反铁电)序、铁磁(反铁磁)序和铁弹序的材料。目前研究最为广泛的多铁性材料是指同时拥有极化有序和磁有序的材料。因而,这两种有序之间的耦合作用(磁电效应)是研究的热点。所谓磁电效应,即通过加入外电场感应出磁化,或通过加入外磁场引入极化。自从磁电效应的首次发现以来,人们就意识到,材料的磁性质与电性质的相互渗透将有巨大的科技运用前景。自上世纪60-70年代以来,由于这类材料的不断发现以及两种有序共存耦合导致某些特有的物理性质,而使之备受人们的关注,通过磁电耦合,铁电有序或外电场可导致自旋的再分布而改变系统的磁性质,同样由于自旋有序的涨落通过磁致伸缩可能的电子—声子作用可以导致铁电驰豫或介电异常。本文主要围绕钙钛矿及相关固体氧化物开展了一系列合成、结构与性质研究工作。我们主要通过两种寻找新物相的方法进行化学合成:一方面,从三元氧化物体系的相关系出发,寻找新型多铁性化合物;另一方面,根据钙钛矿及其相关结构的特点,结合元素的化学性质,设计合成可能具有多铁性的化合物;进而利用衍射技术(包括X射线粉末衍射、电子衍射、中子衍射),电子显微技术(包括扫描电镜和高分辨电镜),结合其他一系列物理、化学性质测量,研究所得化合物的结构及相变特点;再测量其电学与磁学性质并讨论结构与性质的关系。主要研究结果如下:合成了固溶体BaBi1-xTaxO3(0≤x≤0.5),结合X射线粉末衍射、会聚束电子衍射和中子衍射确定其空间群为P1,虽然没有对称中心,但该固溶体并没有显示出本征的铁电性;合成了固溶体SrxBi1-xMnxFe1-xO3(0≤x≤1.0),通过掺杂,用传统的高温固相方法合成出质量较好的纯相BiFeO3,并且使室温下呈现反铁磁的BiFeO3转变成为铁磁性;研究了Fe2O3-PbO-Ta2O5和Fe2O3-Bi2O3-Ta2O5体系的平衡相关系,在三元相图中均发现了一个固溶范围较广的具有焦绿石相(A2BB2O7)结构的固溶区,研究了固溶区内样品的铁电性和磁性,在Fe2O3-Bi2O3-Ta2O5体系里发现了两个同构的新化合物Fe0.1Bi2.4Ta4.5O15和Bi1.02Ta1.98O4,并确定了它们的晶体结构;研究了BaCO3-HfO2-MnCO3体系的平衡相关系,发现了固溶体BaHfxMn1-xO3(0.218; 0.145≤x≤0.165) ,其空间群为P63/mmc ,测量了Ba5Mn4.25Hf0.75O15和Ba4Mn3.12Hf(0.872)O15样品的磁性,在常温下均为顺磁性,低温下均显示弱的亚铁磁性。
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