(Ba/Nd)掺杂SrMnO3陶瓷的相结构与磁电性能研究

摘要

钙钛矿型锰酸盐SrMnO3因为自旋、电荷有序和磁性等丰富的物理性质而在多铁材料领域受到重视，但是SrMnO3的制备方法存在不足、在常温下因其六方结构而仅表现为顺电-反铁磁性、SrMnO3的性能调控研究大多局限在理论方面。基于上述问题，本文对SrMnO3的合成、元素掺杂(Ba/Nd)及快速冷却调整SrMnO3陶瓷的相结构、结构相变前后SrMnO3陶瓷的磁电性能三个方面进行较为细致的研究。
　　结果表明，通过优化制备工艺可以克服SrMnO3合成温度高、周期长、杂质多的缺点。采用冰乙酸-乙二醇的溶胶凝胶体系合成SrMnO3粉体和陶瓷，在氧气气氛下1350~1400℃煅烧即可得到纯相SrMnO3粉体，TEM观察表明物相是纯净的六方结构。SrMnO3陶瓷的最佳烧结工艺是氧气气氛下1400℃保温4h烧结，陶瓷致密度为96.4％。XPS分析表明SrMnO3陶瓷因存在氧空位导致部分Mn4+转变为Mn3+，降低了材料的绝缘性。
　　通过XRD、TEM等研究手段，发现元素掺杂显著改变了SrMnO3的相结构。Sr1-xBaxMnO3(0≤x≤0.5)粉体的煅烧工艺是1300℃空气气氛下保温2h。Sr1-xBaxMnO3陶瓷可在O2气氛下1380℃保温2h烧结得到，随着Ba2+离子掺杂量的增加，SrMnO3陶瓷的相结构出现晶格畸变，晶相是伪六方结构。在空气气氛下1300oC保温2h煅烧可得到纯相Sr1-xNdxMnO3(0≤x≤0.5)粉体，粉体颗粒平均尺约为10μm。Sr1-xNdxMnO3陶瓷可在O2气氛下1400oC保温2h烧结得到，随着Nd3+离子掺杂量的增加，TEM观察表明晶体结构从六方相逐渐转变为正交相。Nd3+离子掺杂量x=0.2时，陶瓷收缩程度最大。掺杂Nd3+离子后陶瓷的结构相变与Mn3+O6八面体倾斜和Jahn-Teller晶格畸变作用密切相关。
　　SrMnO3陶瓷的相对介电常数εr=3700.00，介电损耗正切值tanδ=1.00。MPMS、粉末中子衍射(NPD)的结果表明，SrMnO3陶瓷的反铁磁尼尔温度TN~60K，在2K时自发磁化值最大，Ms=2.13emu/g，矫顽场Hc=10800Oe，陶瓷块体的磁性能优于粉体，SrMnO3陶瓷粉末的磁结构在尼尔温度以下是反铁磁结构。
　　通过介电、MPMS、NPD等研究手段，分析发现SrMnO3陶瓷结构转变以后，磁电性能发生了显著变化。选择掺杂2wt%Ba2+离子时，陶瓷具有最佳的介电性能，εr=1043.06，tanδ=3.38。引入Ba2+离子以后SrMnO3介电性能的降低与氧空位的浓度增加有关。掺杂Nd3+离子明显改善SrMnO3陶瓷的磁性能，其尼尔温度TN从单相SrMnO3的60K升高至283K，在2K时自发磁化值最大，Ms=13.92emu/g，远高于单相SrMnO3，矫顽场Hc=1247Oe。Sr0.8Nd0.2MnO3陶瓷的磁结构在尼尔温度以下已经转变为C-型反铁磁结构。相比于SrMnO3，掺杂Nd3+离子以后陶瓷尼尔温度和磁性能的提高与Jahn-Teller晶格畸变效应有关。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景

1.2多铁材料的发展概述

1.3多铁材料的研究现状

1.4 SrMnO3的合成

1.5钙钛矿类锰氧化物

1.6研究目的及主要研究内容

第2章 试验材料与研究方法

2.1试验所用原材料

2.2试验方案设计

2.3材料结构与形貌的分析

2.4材料性能的表征

第3章Sr1-xRxMnO3(R=Ba, Nd)粉体的制备与表征

3.1 SrMnO3溶胶的合成与影响因素研究

3.2 SrMnO3纯相粉体的制备与表征

3.3Sr1-xRxMnO3(R=Ba, Nd)粉体的制备与表征

3.4本章小结

第4章Sr1-xRxMnO3(R=Ba, Nd)陶瓷的制备与表征

4.1 Sr1-xRxMnO3陶瓷的预成型

4.2 Sr1-xRxMnO3陶瓷的烧结制备

4.3快速冷却对SrMnO3陶瓷相结构和性能的影响

4.4本章小结

第5章Sr1-xRxMnO3(R=Ba, Nd)陶瓷的性能分析

5.1 SrMnO3陶瓷的磁电性能

5.2 Ba2+掺杂对Sr1-xBaxMnO3陶瓷性能的影响

5.3 Nd3+掺杂对Sr1-xNdxMnO3陶瓷的结构相变和性能影响

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及专利

声明

致谢