钙钛矿结构ReFeO3材料的制备与性能研究
钙钛矿结构的ReFeO3（Re代表稀土）是目前备受关注的一类多功能磁性材料，它首先具有优异的磁光性能和快响应特性，在快速磁光开关、磁光传感器等器件的开发上，显示出巨大的应用潜力。近年来，激光诱导超快自旋重取向，多铁及强磁电耦合等效应也在该体系化合物中被先后发现，又被认为是极具应用前景的单相多铁性体系之一。另外，它们在燃料电池、光催化、气敏等诸多领域还具有潜在应用价值。ReFeO3体系具有丰富而独特的磁性质，如自旋重取向相变、各种磁相互作用、磁激发等。通过溶胶-凝胶、无容器悬浮凝固等方法制备高质量材料，探索有效的置换等手段，利用稀土离子与铁离子之间，以及过渡金属离子之间的相互作用，实现磁性能等物理性能的有效调控。这不仅推动人们对于该体系相关的基础和应用基础研究的广泛兴趣，而且对于新型多铁材料体系探索也具有非常重要的学术意义。 本文采用溶胶凝胶法，制备了一系列正交钙钛矿结构Sm1-xTbxFeO3（x=0，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50）和SmFe1-xMnxO3（x=0，0.05，0.10，0.15，0.20，0.25）粉体。实验发现，前驱体经过900℃煅烧3小时，得到纯相SmFeO3粉体。由于倾斜的反铁磁结构，室温下SmFeO3粉体呈现弱的铁磁性。在此基础上，系统研究了Tb3+置换SmFeO3粉体对其晶体结构、制备温度、显微形貌和磁学性能的影响。正交钙钛矿型Sm1-xTbxFeO3粉体的合成温度从900℃升高到1100℃。此外，由于Tb3+和Fe3+之间的交换耦合作用，减弱了该体系中的反铁磁相互作用，增强了铁磁性耦合，剩余磁化强度和矫顽力也得到了增加。与纯相SmFeO3相比，对于B位Mn3+置换，正交钙钛矿型SmFe1-xMnxO3粉体的合成温度从900℃降低到700℃。当Mn含量较低时（x≤0.15），随着Mn含量的增加，增强了铁磁性耦合，矫顽力和剩余磁化强度相应增加。当Mn含量较高时（x=0.20,0.25），随着Mn含量增加，铁磁性减弱，矫顽力和剩余磁化强度相应降低。因此，在SmFe1-xMnxO3（0≤x≤0.25）中，SmFe0.85Mn0.15O3呈现出最强的铁磁性行为，其具有最大的剩余磁化强度（Mr=0.064emu/g）和矫顽力（Hc=1928Oe）。由于Mn3+和Fe3+之间复杂的磁性相互作用，导致了这一有趣的现象。 此外，利用无容器气悬浮技术成功制备出单相SmFeO3、DyFeO3和TbFeO3多晶。无容器气悬浮技术利用一定压力的气体将样品悬浮，在悬浮中进行激光加热，融化和凝固，升温速率和降温速率快，并且在高温熔体深过冷条件下凝固过程中可能形成众多的亚稳定相结构，从而使原有材料的结构、性能发生巨大变化。本文利用气悬浮技术制备出一系列独特结构的ReFeO3陶瓷并研究其凝固行为。球体表面为树枝晶和析出物共混的独特结构，球体的凝固过程从表面向内部推移，最终形成―橘子晶体‖。在磁性能方面，SmFeO3、DyFeO3和TbFeO3陶瓷球在室温下，均呈现典型的磁滞回线。其中，SmFeO3呈现出类似单晶的矩形回线。此外，在外磁场为2kOe下，进一步研究ReFeO3陶瓷在低温下的磁学性能，发现了一些有趣的磁性现象，并进行了相关机理的探讨。
钙钛矿结构;ReFeO3材料;溶胶凝胶法;磁学性能
上海应用技术大学
硕士
材料化学工程
徐家跃
2016
中文
TM27
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）