【摘要】：單相多鐵性材料,是指兼具鐵電、鐵磁、鐵彈或者鐵渦四種初級(jí)鐵序中的兩種或兩種以上的單相材料。進(jìn)入21世紀(jì)之后,多鐵材料經(jīng)歷了飛速的發(fā)展,驅(qū)動(dòng)多鐵性研究的動(dòng)力主要有兩方面:一方面,從基礎(chǔ)研究的角度來(lái)說(shuō),多鐵材料集成了自旋、電荷、軌道、晶格等多重有序結(jié)構(gòu),能夠?qū)Υ艌?chǎng)、電場(chǎng)、光場(chǎng)、應(yīng)力和溫度等多種外界環(huán)境產(chǎn)生響應(yīng),這種復(fù)雜的、交叉的研究對(duì)象正是固體物理發(fā)展到凝聚態(tài)物理的產(chǎn)物之一,能勾起人們科學(xué)好奇心并驅(qū)使人們?nèi)ド钊胙芯?另一方面,從應(yīng)用的角度來(lái)看,多鐵材料能夠?qū)崿F(xiàn)多重物理量之間的交叉調(diào)控,具有制備多功能、高集成度、高密度器件的潛力,能夠?yàn)楝F(xiàn)代電子學(xué)在后摩爾時(shí)代的發(fā)展提供材料學(xué)和物理學(xué)的基礎(chǔ)。多鐵材料豐富的物理性質(zhì)和巨大的應(yīng)用潛力促使研究人員不斷探索。在21世紀(jì)的前十年里,多鐵研究多集中在ABO3型簡(jiǎn)單鈣鈦礦結(jié)構(gòu)體系中,雖然取得了令人矚目的成果,但是不論是第Ⅰ類多鐵材料還是第Ⅱ類多鐵材料都遇到了各自的瓶頸,室溫下強(qiáng)耦合的體系依然沒(méi)有被發(fā)現(xiàn),這些都限制了其往應(yīng)用發(fā)展的腳步。于是,在進(jìn)入21世紀(jì)的第二個(gè)十年之后,研究人員開(kāi)始把目光轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的類鈣鈦礦層狀體系中,主要有Dion-Jacobson結(jié)構(gòu)、雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、Ruddlesden-Popper結(jié)構(gòu)和Aurivillius結(jié)構(gòu)四大類,以期發(fā)現(xiàn)室溫下強(qiáng)耦合的多鐵材料體系。其中,Aurivillius結(jié)構(gòu)是一種天然鐵電材料,已有的研究表明在其中摻入磁性離子可以在體系中引入磁性,使其成為多鐵材料,但是其中的磁性還存在爭(zhēng)議,另外共生Aurivillius結(jié)構(gòu)的多鐵性還尚不清楚。針對(duì)Aurivillius結(jié)構(gòu)氧化物多鐵性研究中存在的問(wèn)題,本論文展開(kāi)了系統(tǒng)的研究。本論文共分為五個(gè)章節(jié),主要內(nèi)容安排如下:在第一章里,首先簡(jiǎn)單介紹了單相多鐵材料的歷史、定義、分類以及在這十幾年間的研究情況,然后分別綜述了 Dion-Jacobson結(jié)構(gòu)、雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、Ruddlesden-Popper結(jié)構(gòu)和Aurivillius結(jié)構(gòu)四種層狀類鈣鈦礦氧化物在多鐵性方面的研究進(jìn)展。在第二章里,利用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法合成了多晶的4層Aurivillius結(jié)構(gòu)氧化物Bi4NdTi3FeO15,并系統(tǒng)的研究了真空退火對(duì)體系的結(jié)構(gòu)、鐵電、介電和磁性等物理性質(zhì)的影響。發(fā)現(xiàn)在800℃下經(jīng)歷真空退火之后,體系的晶胞會(huì)在三個(gè)方向都發(fā)生收縮,進(jìn)而壓制其鐵電性和介電常數(shù);真空退火還會(huì)引入2價(jià)Fe離子,2價(jià)、3價(jià)Fe離子共存后會(huì)有Fe3+-O-Fe2+之間的耦合,并在體系中產(chǎn)生鐵磁性,鐵磁轉(zhuǎn)變?yōu)?75 K。這些結(jié)果能夠很好的解釋不同研究組合成的同樣組分的Aurivillius氧化物性質(zhì)卻有很大差異的原因。在第三章里,我們?cè)贐i4NdTi3FeO15中摻入了 Co來(lái)取代部分Fe,發(fā)現(xiàn)鈷的摻雜量能夠改變體系中鈣鈦礦層的層數(shù),當(dāng)Co含量從0變到1時(shí),體系的結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸從4層變成了 3層,表明我們合成了一種含有磁性離子的4-3層共生Aurivillius 體系 Bi4NdTi3Fe1-xCoxO15-Bi3NdTi2Fe1-xCoxO12-δ(x=0.0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9和1.0)。隨后,我們系統(tǒng)研究了體系的結(jié)構(gòu)、鐵電性、磁性和磁電耦合效應(yīng),發(fā)現(xiàn)隨著Co摻雜量的提高,樣品的剩余磁化強(qiáng)度和剩余極化強(qiáng)度表現(xiàn)出了相反的變化趨勢(shì),并且x= 0.3的樣品有最大的剩余磁化強(qiáng)度和最小的剩余極化強(qiáng)度,x= 0.5的組分有最大1.24mV/cm·Oe的磁電耦合電壓系數(shù)。在第四章里,我們改進(jìn)了一種以泊松分布為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,并結(jié)合掃描電子顯微鏡中的X射線能譜儀和能量選擇的背散射電子探測(cè)器,分析了共生結(jié)構(gòu) Bi4NdTi3Fe1-xCoxO15-Bi3NdTi2Fe1-xCoxO12-δ 中的Fe3yCoyO4(0≤y≤3 磁性雜質(zhì)的體積分?jǐn)?shù),并據(jù)此給出了其磁性貢獻(xiàn)的上限,發(fā)現(xiàn)對(duì)于室溫下有鐵磁性的組分,(x=0.1,0.3,0.5和0.7),雜質(zhì)貢獻(xiàn)的磁性占樣品磁性的比例分別為3.9%,1.9%,3.8%和1.5%,這表明我們通過(guò)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)到的磁信號(hào)能反應(yīng)樣品本征的磁性。此外,還在第三章中精修的結(jié)果基礎(chǔ)上結(jié)合X射線能譜結(jié)果分析了樣品中主相的實(shí)際組分。在第五章里,利用脈沖激光沉積技術(shù),在(001)取向的SrTiO3(STO),(La0.18Sr0.82)(Al0.59Ta0.41)O3(LSAT)、LaAlO3(LAO)三種不同晶格常數(shù)的襯底上,先生長(zhǎng)了一層大約22nm的SrRuO3作為底電極,然后原位生長(zhǎng)了大約為187nm的3層的Aurivillius結(jié)構(gòu)Bi3NdTi2Fe0.5Co0.5O11.5薄膜。X射線衍射和透射電子顯微鏡表明體系大體上可以c方向外延生長(zhǎng),但是有晶格缺陷,并且表面有其他取向的小晶粒。室溫下,LAO襯底上生長(zhǎng)的薄膜具有最大的鐵電極化(10μC/cm2)和磁化強(qiáng)度(9.8 emu/cm3),還有15%的磁介電效應(yīng)和8 V/cm·Oe的磁電耦合電壓系數(shù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O48

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本文編號(hào)：2476302