正电子湮没技术对多铁材料铁磁性能与缺陷的研究

摘要

多铁材料通常指同时具有铁电性能和铁磁性能的材料。近年来，由于多铁材料具有的特殊物理性质以及潜在的应用价值，使其受到了越来越多的关注，成为了材料科学领域的研究热点。目前，有关多铁材料实验方面和理论方面的工作都在不断发展中，其中关于多铁材料磁性起源、磁电效应、铁电起源等的理论解释不断涌现，这些理论工作在一定程度上又指导了实验工作，使人们发现了更多种类的多铁材料。实验和理论研究的配合使人们对多铁材料的认识越来越清晰，但发展室温多铁材料还有大量的问题有待研究解决。例如材料中磁性来源是什么，磁电耦合机制是什么等等。大量的实验和理论工作表明，空位缺陷和元素掺杂能导致半导体具有磁性，那么在多铁材料中，微观缺陷是否会对铁磁性产生影响？其作用机制是什么？这个问题的解决对提高多铁材料的性能具有重要的意义。
　　正电子湮没谱学是一门将核探测技术应用于固体物理与材料领域的学科，包括正电子实验探测技术和正电子理论计算两大部分。正电子湮没技术对材料原子尺度的缺陷非常敏感，可以提供缺陷尺寸、缺陷类型、缺陷浓度以及缺陷随深度分布的信息，在探究材料缺陷方面具有不可替代性。
　　本论文采用正电子实验探测与正电子理论计算相结合的手段，对包括“明星”多铁材料BiFeO3、铋层状钙钛矿结构氧化物以及纳米材料SrTiO3等在内的几种典型的多铁材料进行了系统的研究，探讨了材料微观缺陷与宏观性质的内在关联。取得的主要研究成果有:
　　1.利用正电子湮没寿命技术和符合多普勒展宽技术，配合正电子寿命理论计算，对La掺杂的BiFeO3材料中的缺陷进行了系统探究。在此基础上，结合XRD测试、拉曼测试以及磁性测试结果，对材料内部铁磁性能的起源进行了分析。实验结果表明:(a)在不同La掺杂浓度的样品Bi1-xLaxFeO3中，发现当掺杂浓度x＞0.20时，Bi单空位逐渐消失，大孔洞的空位团簇出现，与此同时，剩余磁化强度也随之增大，表明阳离子空位型缺陷会对材料磁性产生影响。(b)在不同煅烧条件下得到的Bi0.7La0.3FeO3样品中，发现同时采用相对较高的煅烧温度和较长的煅烧时间对材料进行处理时，Bi0.7La0.3FeO3的磁性能才出现了明显的改变，此时样品中的缺陷浓度是相对最高的，且缺陷类型以双空位或三空位等复合空位缺陷为主。这说明经过充分煅烧后，样品内部晶粒会发育完全，使得大量微孔洞消失，小尺寸复合空位缺陷浓度增加，有利于增强室温铁磁性能。(c)在探究Fe空位对Bi0.7La0.3FeO3样品铁磁性能的影响中，尝试通过减少Fe元素含量的方式来获取Fe空位的变化。结果表明Fe空位确实会对室温下的铁磁性能产生影响。
　　2.利用正电子湮没寿命谱仪和符合多普勒展宽谱仪研究了铋层状结构氧化物中缺陷的变化，结合XRD、SEM测量结果以及磁性测量结果，探讨了缺陷对其室温铁磁性能的影响。(a)在对Bi7Fe2.75Co0.25Ti3O21材料的界面缺陷和铁磁性分析工作中，发现饱和磁化强度的变化趋势与界面缺陷消失的过程是一致的。界面缺陷会对此材料的铁磁性能产生影响，缺陷浓度的减小会导致饱和磁化强度降低。(b)对Bi7Fe2.9Co0.1Ti3O21材料进行A位铒元素掺杂，发现材料内部缺陷浓度和缺陷类型均发生了变化，材料内部缺陷浓度的变化趋势与饱和磁化强度的变化并不一致，表明缺陷对材料磁性能的作用，不仅与缺陷浓度有关，与缺陷的类型也有很大关系。
　　3.利用正电子湮没寿命谱仪和正电子理论计算，结合XRD、SEM以及磁性测试对纳米材料SrTiO3的磁性起源进行了探究。实验结果显示当材料内部缺陷大量减少时磁性消失，表明室温铁磁性的产生与缺陷有很大关系。并且在进一步的探究中发现，消失的缺陷中，占主要成分的是Ti空位缺陷，由此可知Ti空位缺陷对SrTiO3材料内部的磁性起源起着重要作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 多铁材料简介

1．1．1 材料的多铁性

1．1．2 多铁材料的研究进展

1．1．3 多铁材料的发展趋势

1．2 正电子湮没技术简介

1．2．1 正电子湮没谱学发展史

1．2．2 正电子湮没谱学基本原理

1．2．3 正电子湮没探测技术

1．2．4 正电子探究材料微观结构的独特优势

1．3 正电子寿命理论计算方法简介

1．4 本论文的工作简介

参考文献

第2章 La掺杂BiFeO3材料的缺陷结构与铁磁性分析

2．1．2 BiFeO3的磁性及其研究现状

2．1．3 对La掺杂BiFeO3的调研

2．2 不同掺杂浓度Bi1-xLaxFeO3样品的缺陷和磁性研究

2．2．1 实验样品制备

2．2．2 性能表征

2．2．3 正电子湮没测量与正电子寿命计算

2．2．4 实验结果与分析

2．3 不同煅烧条件下Bi0．7La0．3FeO3样品的性能变化

2．3．1 实验样品制备与处理

2．3．2 性能表征

2．3．3 正电子湮没测量

2．3．4 实验结果与分析

2．4 Fe空位对Bi0．7La0．3FeO3样品铁磁性能的影响

2．4．1 实验样品制备与处理

2．4．2 性能表征

2．4．3 正电子湮没测量

2．4．4 实验结果与分析

2．5 本章小结

参考文献

第3章 铋层状钙钛矿结构氧化物的正电子谱学研究

3．1 铋层状氧化物简介

3．1．1 铋层状Aurivillius相结构

3．1．2 BFTO材料的发展现状

3．2 Bi7Fe2．75Co0．25Ti3O21材料的界面缺陷与铁磁性分析

3．2．1 样品制备与退火处理

3．2．2 性能表征

3．2．3 正电子湮没测试

3．2．4 样品结构分析

3．2．5 正电子测试结果分析

3．2．6 磁性测试结果分析

3．3 Bi7Fe2．9Co0．1Ti3O21材料A位铒掺杂的正电子研究

3．3．1 样品制备

3．3．2 性能表征

3．3．3 正电子湮没测试

3．3．4 样品结构分析

3．3．5 正电子测试结果分析

3．3．6 磁性测试结果分析

3．4 本章小结

参考文献

第4章 SrTiO3材料的铁磁性起源机制

4．1 研究背景

4．1．2 SrTiO3的磁性研究

4．2 实验部分

4．2．1 实验样品的制备与处理

4．2．2 性能表征

4．2．3 正电子湮没测量与正电子寿命计算

4．3 结果与讨论

4．3．1 样品结构分析

4．3．2 磁性测试分析

4．3．3 正电子湮没测试分析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 本文创新点

5．3 展望

致谢

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