正電子湮沒技術(shù)對多鐵材料鐵磁性能與缺陷的研究.pdf

1、多鐵材料通常指同時具有鐵電性能和鐵磁性能的材料。近年來，由于多鐵材料具有的特殊物理性質(zhì)以及潛在的應(yīng)用價值，使其受到了越來越多的關(guān)注，成為了材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，有關(guān)多鐵材料實(shí)驗(yàn)方面和理論方面的工作都在不斷發(fā)展中，其中關(guān)于多鐵材料磁性起源、磁電效應(yīng)、鐵電起源等的理論解釋不斷涌現(xiàn)，這些理論工作在一定程度上又指導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)工作，使人們發(fā)現(xiàn)了更多種類的多鐵材料。實(shí)驗(yàn)和理論研究的配合使人們對多鐵材料的認(rèn)識越來越清晰，但發(fā)展室溫多鐵材料還有大量

2、的問題有待研究解決。例如材料中磁性來源是什么，磁電耦合機(jī)制是什么等等。大量的實(shí)驗(yàn)和理論工作表明，空位缺陷和元素?fù)诫s能導(dǎo)致半導(dǎo)體具有磁性，那么在多鐵材料中，微觀缺陷是否會對鐵磁性產(chǎn)生影響？其作用機(jī)制是什么？這個問題的解決對提高多鐵材料的性能具有重要的意義。
　　正電子湮沒譜學(xué)是一門將核探測技術(shù)應(yīng)用于固體物理與材料領(lǐng)域的學(xué)科，包括正電子實(shí)驗(yàn)探測技術(shù)和正電子理論計(jì)算兩大部分。正電子湮沒技術(shù)對材料原子尺度的缺陷非常敏感，可以提供缺陷尺寸、

3、缺陷類型、缺陷濃度以及缺陷隨深度分布的信息，在探究材料缺陷方面具有不可替代性。
　　本論文采用正電子實(shí)驗(yàn)探測與正電子理論計(jì)算相結(jié)合的手段，對包括“明星”多鐵材料BiFeO3、鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物以及納米材料SrTiO3等在內(nèi)的幾種典型的多鐵材料進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，探討了材料微觀缺陷與宏觀性質(zhì)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。取得的主要研究成果有:
　　1.利用正電子湮沒壽命技術(shù)和符合多普勒展寬技術(shù)，配合正電子壽命理論計(jì)算，對La摻雜的BiFeO3

4、材料中的缺陷進(jìn)行了系統(tǒng)探究。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合XRD測試、拉曼測試以及磁性測試結(jié)果，對材料內(nèi)部鐵磁性能的起源進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:(a)在不同La摻雜濃度的樣品Bi1-xLaxFeO3中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻雜濃度x＞0.20時，Bi單空位逐漸消失，大孔洞的空位團(tuán)簇出現(xiàn)，與此同時，剩余磁化強(qiáng)度也隨之增大，表明陽離子空位型缺陷會對材料磁性產(chǎn)生影響。(b)在不同煅燒條件下得到的Bi0.7La0.3FeO3樣品中，發(fā)現(xiàn)同時采用相對較高的煅燒溫度和較長的

5、煅燒時間對材料進(jìn)行處理時，Bi0.7La0.3FeO3的磁性能才出現(xiàn)了明顯的改變，此時樣品中的缺陷濃度是相對最高的，且缺陷類型以雙空位或三空位等復(fù)合空位缺陷為主。這說明經(jīng)過充分煅燒后，樣品內(nèi)部晶粒會發(fā)育完全，使得大量微孔洞消失，小尺寸復(fù)合空位缺陷濃度增加，有利于增強(qiáng)室溫鐵磁性能。(c)在探究Fe空位對Bi0.7La0.3FeO3樣品鐵磁性能的影響中，嘗試通過減少Fe元素含量的方式來獲取Fe空位的變化。結(jié)果表明Fe空位確實(shí)會對室溫下的鐵磁

6、性能產(chǎn)生影響。
　　2.利用正電子湮沒壽命譜儀和符合多普勒展寬譜儀研究了鉍層狀結(jié)構(gòu)氧化物中缺陷的變化，結(jié)合XRD、SEM測量結(jié)果以及磁性測量結(jié)果，探討了缺陷對其室溫鐵磁性能的影響。(a)在對Bi7Fe2.75Co0.25Ti3O21材料的界面缺陷和鐵磁性分析工作中，發(fā)現(xiàn)飽和磁化強(qiáng)度的變化趨勢與界面缺陷消失的過程是一致的。界面缺陷會對此材料的鐵磁性能產(chǎn)生影響，缺陷濃度的減小會導(dǎo)致飽和磁化強(qiáng)度降低。(b)對Bi7Fe2.9Co0.1T

7、i3O21材料進(jìn)行A位鉺元素?fù)诫s，發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部缺陷濃度和缺陷類型均發(fā)生了變化，材料內(nèi)部缺陷濃度的變化趨勢與飽和磁化強(qiáng)度的變化并不一致，表明缺陷對材料磁性能的作用，不僅與缺陷濃度有關(guān)，與缺陷的類型也有很大關(guān)系。
　　3.利用正電子湮沒壽命譜儀和正電子理論計(jì)算，結(jié)合XRD、SEM以及磁性測試對納米材料SrTiO3的磁性起源進(jìn)行了探究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)材料內(nèi)部缺陷大量減少時磁性消失，表明室溫鐵磁性的產(chǎn)生與缺陷有很大關(guān)系。并且在進(jìn)一步的探究