一种新型磁电耦合多铁性材料BiMn

摘要

公开了一种新型磁电耦合多铁性材料及其制备方法，所述新型磁电耦合多铁性材料的化学式为BiMn

说明书

技术领域

本发明涉及材料科学领域，具体涉及一种新型磁电耦合多铁性材料 BiMn₃Cr₄O₁₂的制备方法。

背景技术

磁电耦合多铁性材料(Magnetoelectric coupling multiferroics)是指 同时具有铁电性和长程磁有序的化合物，并且铁电性和磁有序具有较强 的耦合效应。这类材料可以实现电与磁的相互调控，例如通过磁场调控 电极化状态，通过电场调控磁化状态，因此磁电耦合多铁性材料是一种 新型多功能材料，在自旋电子学、多态存储、电磁传感器等领域有广泛 的应用前景。

在过渡金属氧化物中，电极化不需要d电子参与，而长程磁有序需 要d电子的参与。因此，原则上铁电性与长程磁有序是很难在同一个材 料体系中共存并且相互调控的。然而，人们最近发现一些特殊的磁结构 可以打破某些材料体系的空间反演对称性，从而产生自旋有序导致的电 极化，即所谓的磁电多铁偶合效应。目前，具有磁电耦合多铁效应的材 料体系仍然非常有限，大大制约这一新奇效应的研究与应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种新型磁电耦合多铁性材料 BiMn₃Cr₄O₁₂以及其制备方法。

在第一方面，本发明提供了一种新型磁电耦合多铁性材料，所述新 型磁电耦合多铁性材料的化学式为BiMn₃Cr₄O₁₂。

在第二方面，本发明提供了一种新型磁电耦合多铁性材料 BiMn₃Cr₄O₁₂的制备方法，包括：

把纯度高于99.9％的Bi₂O₃、Mn₂O₃和Cr₂O₃按摩尔比1:3:4混合后 充分研磨、筛选；

将筛选过的原料装入金或铂金胶囊并压实；

高温高压固相反应。

优选地，所述高温高压固相反应的装置为六面顶压机或6-8型二级 推进压机。

优选地，所述高温高压固相反应的压力为6-10GPa、温度为 900-1300℃、高温高压反应时间为10-60分钟。

优选地，所述金或铂金胶囊的直径为2-10mm，长度为2-10mm，壁 厚为1-2mm。

本发明提出的BiMn₃Cr₄O₁₂是一种新型的磁电耦合多铁性材料，其 具有弱铁磁自旋序、较大的介电常数与电偶极化强度，以及较高的临界 温度，在自旋电子器件、多态存储器件等领域有良好的应用前景。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它 目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了实施例1制备的新型磁电耦合多铁性材料BiMn₃Cr₄O₁₂的XRD图谱；

图2示出了实施例1制备的BiMn₃Cr₄O₁₂的磁化率和比热随温度变 化的曲线；

图3示出了实施例1制备的BiMn₃Cr₄O₁₂的介电常数随温度变化的 曲线；

图4示出了实施例1制备的BiMn₃Cr₄O₁₂的极化强度随温度变化的 曲线；

图5示出了实施例1制备的BiMn₃Cr₄O₁₂的电滞回曲线；以及

图6示出了实施例1制备的BiMn₃Cr₄O₁₂的磁滞回线。

具体实施方式

在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。 对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。 为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并 没有详细叙述。除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中 的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷 举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

本发明涉及同时具有铁电性和长程磁有序的磁电耦合多铁性材料 BiMn₃Cr₄O₁₂及其制备方法。作为本发明的一个优选的实施例，本发明提 出的BiMn₃Cr₄O₁₂可以由以下步骤制备：

把纯度高于99.9％的Bi₂O₃、Mn₂O₃和Cr₂O₃按摩尔比1:3:4混合后 充分研磨，再通过200目筛子筛选；将筛选过的原料装入金或铂金胶囊 并压实，其中，所述金或铂金胶囊的直径为2-10mm，长度为2-10mm， 壁厚为1-2mm；将胶囊置于六面顶压机或6-8型二级推进压机，设置压 力为6-10GPa、温度为900-1300℃，使金或铂金胶囊内的原料在高温高 压下反应时间为10-60分钟。

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些 实施例。

实施例1：

把纯度高于99.9％的Bi₂O₃、Mn₂O₃和Cr₂O₃按摩尔比1:3:4混合后 充分研磨后通过200目筛子筛选；将筛选过的原料装入金或铂金胶囊并 压实，其中，所述金或铂金胶囊的直径为10mm，长度为10mm，壁厚 为2mm；将金或铂金胶囊置于六面顶压机或6-8型二级推进压机，设置 压力为8GPa、温度为1050℃，使金或铂金胶囊内的原料在高温高压下 反应时间为30分钟。

图1示出了实施例1制备的新型磁电耦合多铁性材料BiMn₃Cr₄O₁₂的XRD图谱。通过新型磁电耦合多铁性材料BiMn₃Cr₄O₁₂的XRD图谱 可以得到制备的BiMn₃Cr₄O₁₂属于A位有序立方双钙钛矿结构，属于 Im-3空间群，晶格参数为a＝b＝c＝7.

图2示出了实施例1制备的BiMn₃Cr₄O₁₂的磁化率和比热随温度变 化的曲线。其中，磁化率的零场冷却(Zero Field cooled，ZFC)的测量过 程，首先不加磁场的情况下降温，然后在外加磁场H下升温测量样品的 磁化率，有场冷却(Field cooled，FC)的测量过程，首先在外加磁场H下 降温，然后在外加磁场H下升温测量样品的磁化率。从BiMn₃Cr₄O₁₂磁 化率与比热曲线可以得到BiMn₃Cr₄O₁₂具有两个反铁磁相变，对应的反 铁磁相变温度分别约为T_N1＝120K与T_N2＝40K。

图3示出了实施例1制备的BiMn₃Cr₄O₁₂的介电常数随温度变化的 曲线。如图3所示，随着温度降低，介电常数逐渐增大，并在140K附 近达到最大并形成较宽的峰，特别是在T_N2附近介电常数的变化趋势有 个明显的改变，预示着磁介电性质的耦合。

图4示出了实施例1制备的BiMn₃Cr₄O₁₂的加电场冷却测量得到的 极化强度随温度变化的曲线。由图4可知当温度降低至170K时便可观 察到电极化的出现，随着温度进一步降低电极化强度逐渐增大，并在T_N1附近接近饱和。然而进一步降温至T_N2附近时，电极化强度再次得到加 强，更加证实T_N2附近的磁电耦合多铁行为并且具有较大的电极化强度。

图5示出了实施例1制备的BiMn₃Cr₄O₁₂的电滞回线。如图5所示， 外加电场的最大场强为8.5kv/cm，BiMn₃Cr₄O₁₂具有明显的铁电性。温度 在30K时，剩余极化强度为0.045μC/cm²，矫顽场为6.0kv/cm；温度在 75K时，剩余极化强度为0.082μC/cm²，矫顽场为5.8kv/cm；温度在130K 时，剩余极化强度为0.071μC/cm²，矫顽场为5.7kv/cm。电滞回线与电 极化测试均表明BiMn₃Cr₄O₁₂的电极化性质在反铁磁有序温度以上已经 出现，并在T_N2时可观察到明显的磁电耦合多铁行为。

图6示出了实施例1制备的BiMn₃Cr₄O₁₂的磁滞回线，在温度低于 50K时，实施例1制备的BiMn₃Cr₄O₁₂具有弱磁滞，预示着倾斜反铁磁 有序导致的弱铁磁性的出现。在温度高于50K时，实施例1制备的 BiMn₃Cr₄O₁₂的磁化强度与外加磁场之间表现出良好的线性依赖关系，与 相应的共线反铁磁行为(T_N1与T_N2之间)或顺磁态(T_N1以上)是吻合 的。

本发明提出的BiMn₃Cr₄O₁₂是一种新型磁电耦合多铁性材料，具有 弱铁磁有序、较大的介电常数和电偶极化强度，在自旋电子器件、多态 存储器件等领域有良好的应用前景。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本 领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神 和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。