六角RMn1-xFexO3(R=Sc,Lu)多铁陶瓷的结构与性能

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多铁性材料具有十分重要的物理意义和应用价值,近年来已成为凝聚态物理乃至材料科学领域的研究热点。六角锰酸盐作为一类重要的单相多铁性材料得到了广泛的研究,研究重点包括提高奈尔温度、降低漏导,进而获得室温磁电耦合效应。Fe3+离子置换是提高六角锰酸盐奈尔温度的有效手段。本文选取奈尔温度较高的两种六角锰酸盐RMnO3(R=Sc,Lu),系统研究了Fe3+离子置换改性六角锰酸盐陶瓷的制备、结构演化及多铁性能。结果表明,在RMn1-xFexO3(R=Sc,Lu)中均获得了室温磁电耦合效应,并提出该磁电耦合可能是由铁电序和短程磁有序耦合导致的,这或可成为一种新的实现室温磁电耦合效应的途径。获得了如下主要结论:采用标准固相法烧结制备了ScMn1-xFexO3陶瓷。室温下0≤x≤0.2成分范围内陶瓷结构为六角相,空间群为P63cm。通过剩余电滞回线测试证实了其室温温铁电性,通过第一性原理模拟计算其局域自发极化值分别为4.53,4.57,4.50μC/cm2。引入Fe离子可以提升陶瓷磁性能。第一,通过置换引入Fe离子,增强了磁性离子间的交换作用,抑制了几何失措效应,使陶瓷反铁磁转变温度TN从130 K依次增加到135K和140 K,自旋重取向温度TSR从58 K增加到80 K和100 K。第二,Fe离子增强了短程磁有序,导致陶瓷在奈尔温度以上仍存在磁作用。在反铁磁转变温度附近出现介电异常,说明ScMn1-xFexO3中存在磁介电效应,是较强的自旋晶格耦合的结果。ScMn0.8Fe0.2O3陶瓷的室温磁电耦合系数在逐渐增大的外加磁场下保持稳定,约为0.8 mV/cm·Oe,推测是由铁电序和短程磁有序耦合导致的。采用标准固相法制备了六角LuMn0.5Fe0.5O3陶瓷,探究Fe离子对磁性能和磁电耦合性能的影响。磁性测试表明,LuMn0.5Fe0.5O3陶瓷在113 K发生反铁磁-顺磁转变,在57 K发生自旋重取向。LuMn0.5Fe0.5O3陶瓷磁性较母相LuMnO3得到了明显增强,这可以归因为Fe离子的置换增强了超交换作用,抑制了几何失措效应。在奈尔温度和自旋重取向温度附近均观测到介电异常,说明LuMn0.5Fe0.5O3中存在磁介电耦合效应,具有较强的自旋晶格耦合。另外,结合ZFC和FC磁导率随温度的变化曲线及磁滞回线测试结果,证实325 K以下LuMn0.5Fe0.5O3存在短程磁有序,并测得室温下随外加磁场稳定的磁电耦合系数,其值约为0.075 mV/cm·Oe。LuMn0.5Fe0.5O3陶瓷磁电耦合特性与ScMn0.8Fe0.2O3陶瓷十分相似,应同为短程磁有序与铁电序耦合的结果。这一现象在其它六角锰酸盐及其固溶体中鲜有报道,或可成为一种新的实现室温磁电耦合效应的途径。
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