Z型六角铁氧体Sr3Co2Fe24O41的相组成及其磁电性能研究

摘要

磁学和电学有序参量之间相互耦合的现象被称为磁电效应。具有磁电效应的材料(磁电材料)在信息存储和传感等领域有着非常广阔的应用前景，因而受到科研工作者们的广泛关注。人们对磁电材料的研究可以追溯到十九世纪，然而其研究进展却较为缓慢。从二十世纪九十年代开始，磁电材料的研究在理论、制备和测试方面有所深入。但是，迄今为止所发现的大多数磁电材料中，磁电效应的产生都需要低温(<30 K)和高场(>1 T)的苛刻条件，极大地限制了这种材料的研发。目前，在六种铁氧体(M型、U型、W型、X型、Y型和Z型)中除X型以外都已经发现了磁电效应，其中Z型Sr系六角铁氧体Sr3Co2Fe24O41(Sr3Co2Z)在室温低场条件下就可产生磁电效应，具有极大的应用潜力。Sr3Co2Z材料的晶体结构复杂，合成非常困难，已报道文献中采用的样品严格上说大都含有杂相。加上六种铁氧体组成元素相同、相结构相似，所有Sr系铁氧体的晶体结构都源引了Ba系的数据。由此造成Sr3Co2Z材料的相组分检定、磁电特性表征和机理论述的模糊甚至矛盾。因此，合成纯相Sr3Co2Z材料进行磁电效应研究、并且与物相含量已知的混合相样品进行对比，无论对物相合成技术的改善还是对本征物理效应的研究都具有非常重要的意义。本文系统研究了Sr3Co2Z材料的固相合成技术、磁效应、电效应和磁电耦合效应，有关结论和成果对于新型磁电材料及其新功能、新效应的发展具有重要参考价值。
　　本研究首先基于固相反应热力学，研究了原料配比、粉末煅烧温度/时间、材料烧结温度/时间/气氛等因素对物相组成的影响。结果表明：尖晶石相(S相)和M相先于Z相而形成，过低的氧分压会导致Z相的分解。通过优化制备工艺，得到了Sr3Co2Z纯相，其最佳合成制度为1150℃?4 h(O2)。通过对合成过程中各物相的窄区慢速 X-ray扫描和晶体结构精修，首次确定了Sr3Co2Z、Sr4Co2U、Sr2Co2X和 SrCo2W四种物相的晶体结构并获得了晶体学信息文件(Crystallographic Information File, CIF)。次，研究了Sr3Co2Z陶瓷样品的磁化强度随外加磁场和温度的变化规律，以及磁阻效应等磁学性能。结果表明：Sr3Co2Z的磁化强度在6 kOe的外加磁场下为52.1 emu/g，矫顽场强度为53.2 Oe。Sr3Co2Z的磁化强度随温度的升高而逐渐降低，在~370 K和~505 K时出现的磁化强度急剧降低的现象由材料磁结构的转变所引起。在200 K和70 kOe时，Sr3Co2Z的磁阻效应为?85％，该效应的产生可能与晶粒间的自旋极化隧穿有关。接下来，研究了Sr3Co2Z陶瓷样品的介电温谱、介电频谱、电滞回线、伏安特性曲线和热释电效应等电学性能。结果表明：样品在~370 K和~600 K时出现了介电异常的现象，~370 K处的介电异常与磁结构的转变相对应，~600 K处的介电异常则是氧空位弛豫的表现。在材料的电滞回线和伏安特性曲线中无法确定是否存在自发极化的贡献，所观察到的电滞回线主要受到漏电流的影响，伏安特性曲线中的负微分电阻效应与材料吸附的水分子相关。样品的热释电电流在~370 K处出现的峰值可能是由样品的铁电-顺电相变所引起。最后，研究了Sr3Co2Z陶瓷样品的磁电耦合效应。结果表明：样品的磁结构转变温度与介电异常温度及热释电电流峰值所对应温度相吻合，而且热释电电流与磁场强度相关。在30 kOe/300 K时，Sr3Co2Z的磁介电效应为~1%；在4 kOe/200 K时，Sr3Co2Z磁诱导的极化强度为~1.2μC/m2。材料的磁电耦合效应与其特殊的磁结构密切相关，晶体结构中Co原子的非均匀分布使其具有特殊的磁各向异性，可以使材料在高于室温时仍然具有磁电耦合效应。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 磁电效应及磁电材料

1.3 六角铁氧体概述

1.4 Z型六角铁氧体研究进展

1.5 选题的意义和主要内容

第2章 实验技术与测试方法

2.1 粉末及陶瓷样品的制备

2.2 热分析

2.3 物相分析

2.4 磁效应测试

2.5 电效应测试

2.6 磁电耦合效应测试

2.7 显微结构分析

第3章 Z型六角铁氧体Sr3Co2Fe24O41的制备及其相形成机制

3.1 反应热力学分析

3.2 煅烧温度及原料配比对反应产物的影响

3.3 烧结气氛对陶瓷物相的影响

3.4 样品优化及晶体结构精修

3.5 本章小结

第4章 Z型六角铁氧体Sr3Co2Fe24O41的磁效应

4.1 室温磁滞回线

4.2 M-T曲线

4.3 磁阻效应

4.4 本章小结

第5章 Z型六角铁氧体Sr3Co2Fe24O41的电效应

5.1 介电温谱

5.2 介电频谱

5.3 电滞回线

5.4 伏安特性(负微分电阻效应)曲线

5.5 热释电效应

5.6 电性能综合分析

5.7 本章小结

第6章 Z型六角铁氧体Sr3Co2Fe24O41的磁电耦合效应

6.1 磁介电效应

6.2 恒磁场中热释电电流随温度的变化

6.3 恒温下磁释电电流随磁场的变化

6.4 磁电耦合系数

6.5 磁电效应综合分析

6.6 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术成果情况

附录