三价稀土离子掺杂SrTiO3陶瓷结构、低温介电及磁性质研究

摘要

ABO3型钙钛矿氧化物因其具有介电性、铁电性及超导等性质多年来一直受到研究人员的持续关注。在这类材料中，SrTiO3(STO)是一种大家熟知的量子顺电体，它具有高介电常数（ε）和低介电损耗(tanδ)，已被广泛应用于电子、机械和陶瓷工业领域。已有研究表明当温度低于T=105K，纯STO将从立方结构Pm3m转向非铁电四方相I4/mcm结构。同时随着温度的继续下降，STO的介电常数将会逐渐增加并在4K时趋于到饱和，这一行为被认为是由于Ti4+离子量子涨落行为所引起的。
　　 1．在本文中，我们利用溶胶-凝胶法并结合高温烧结制备了单相Sr1-3x/2EuxTiO3(SETOx)陶瓷，研究了Eu3+离子取代对材料晶体结构、低温介电性质和磁性质的影响。X射线衍射仪测试及其精修拟合结果都证明Eu3+离子取代了Sr位。我们采用平均场理论很好的解释实验上低温介电行为，观测到除了SETOx=0.005的顺电性有所减弱外，其它陶瓷样品的顺电性都随着掺杂浓度的增加而增强。此外，我们也注意到与纯STO样品的抗磁性有所不同，Eu掺杂STO样品呈现出顺磁性。我们采用线性响应模型对其磁性质也进行了数据拟合，初步认为掺杂体系的顺磁性与作用在Eu离子的分子场有关，而这个分子场是通过Eu-O-Ti杂化的自旋极化所产生的。最后我们的结果证明Eu元素掺杂的STO样品中不存在磁电耦合现象，相关研究结果已经发表在Journalof Applied Physics111，063529(2012)。
　　 2．我们采用相同方法制备了Sr1-3x/2GdxTiO3(SGTOx)陶瓷。X射线衍射仪测试及其精修拟合结果都证明Gd3+离子取代了Sr位，并且随着掺杂浓度的增加，样品晶胞体积在逐渐减小。此外，从室温(300K)拉曼谱中可以看出，随着掺杂浓度的增加，与反铁畸变有关的拉曼峰变的越来越明显，说明材料的结构相变温度在逐渐提高。通过测试所有样品温度-介电谱，我们发现了四套介电弛豫峰，其中两套是STO固有的介电弛豫峰，并且随着Gd元素掺杂浓度的增加而逐渐消失，我们认为这是由于Gd元素的掺入会引入Sr空位，从而改变了材料内部的畴态。另外两套峰则是由于Gd元素的掺杂而引入的。通过一系列的气氛退火实验，我们认为激活能为100-130meV的弛豫峰与氧空位有关，而激活能为200-230meV与基于Skanavi模型的Ti4+离子的热激发有关。