組成及結(jié)構(gòu)調(diào)控的新型參量復(fù)合氧化物量子功能材料研究.pdf

1、具有“復(fù)合”特性的量子功能材料通過利用自身的多參量（包括電荷、軌道和自旋自由度）和光、電、磁、聲、熱等外場(chǎng)作用可以實(shí)現(xiàn)包括存儲(chǔ)和調(diào)控等多元化處理，從而為未來(lái)的固體量子器件集成提供傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、調(diào)控、放大、熱能再利用等多重關(guān)鍵功能。因此，多參量復(fù)合的量子功能材料是量子信息技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，其研究具有重要意義。然而，目前對(duì)復(fù)合量子功能材料體系仍缺乏系統(tǒng)的研究，在許多方向上還存在空白。因而致力于研究新型復(fù)合氧化物量子功能材料體系，對(duì)于發(fā)現(xiàn)新

2、的原理、新的物理現(xiàn)象以及產(chǎn)生新的材料、新的物理方法非常重要。
　　作為復(fù)合氧化物量子功能材料的潛在候選者，層狀氧化物因其層狀結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)結(jié)晶軸上至少兩個(gè)結(jié)構(gòu)序參量耦合而受到研究者們的廣泛關(guān)注。2009年以前，這類層狀氧化物材料的研究大部分集中在鐵電和介電材料體系，而對(duì)于具有磁電耦合性能的復(fù)合層狀氧化物材料的研究則是零星的。2009年，毛翔宇、陳小兵、陸亞林等人利用鐵鈷互置換的辦法，成功的合成了新型四層Aurivillius相B

3、i5Fe0.5Co0.5Ti3O15復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，實(shí)現(xiàn)了鐵磁相變溫度遠(yuǎn)高于室溫和大的鐵電鐵磁響應(yīng)[Appl.Phys.Lett.95，082901(2009);中國(guó)專利授權(quán)號(hào)CN101607818B]。隨后，陸亞林等人又通過磁性層插入鐵電層狀結(jié)構(gòu)框架的方法，合成了新型單相磁電多鐵陶瓷材料SrBi5Fe0.5Co0.5Ti4O18，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀的室溫以上鐵電性和鐵磁性并且獲得了室溫以上的磁電耦合效應(yīng)(在～370 K，磁電耦合系數(shù)～350μV

4、 cm-1Oe-1)[Materials Horizons，2，232-236(2015);中國(guó)專利授權(quán)號(hào)CN102875145B]。這些研究實(shí)現(xiàn)了層狀氧化物材料在量子功能領(lǐng)域方面的突破，同時(shí)也表明了利用人工設(shè)計(jì)合成具有所謂的“內(nèi)秉”磁電耦合的設(shè)想是很好的思路。2012年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸亞林教授在國(guó)家重大科學(xué)研究項(xiàng)目(2012CB922000)中提出了“多參量復(fù)合氧化物量子功能材料”這個(gè)概念，具體是利用新型晶胞原子層間嵌入合成技術(shù)實(shí)

5、現(xiàn)具有晶胞內(nèi)磁電調(diào)制“復(fù)合”結(jié)構(gòu)及“復(fù)合”有序相新型復(fù)合氧化物量子功能材料。這種“復(fù)合”不同于原先自然材料中固有存在，而是上升到人工設(shè)計(jì)及合成復(fù)合超結(jié)構(gòu)層面。然而，當(dāng)前利用這類“復(fù)合”，形成的新型復(fù)合氧化物量子功能材料仍然顯示很弱的磁性及磁電耦合性能，仍不能滿足量子功能器件實(shí)際應(yīng)用的需求。因此，探索發(fā)現(xiàn)更多的新型參量復(fù)合氧化物量子功能材料，對(duì)拓展量子多功能材料體系，增強(qiáng)量子多功能復(fù)合及調(diào)控，發(fā)展新穎的量子調(diào)控和復(fù)合理論機(jī)制，具有重要意義

6、。
　　本論文以通過化學(xué)元素替代組成新型參量復(fù)合氧化物量子功能材料，以及過量替代引發(fā)材料體系結(jié)構(gòu)調(diào)制為主線，著重研究材料體系Bin+1Fen-3Ti3O3n+3(n為鈣鈦礦層數(shù)）中化學(xué)摻雜形成新型參量復(fù)合氧化物材料的基本物性和過量化學(xué)元素替代引發(fā)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程及結(jié)構(gòu)變化所導(dǎo)致的新奇物理現(xiàn)象和特殊的耦合性能。本論文主要研究包括:1）通過不同位置的化學(xué)替代來(lái)實(shí)現(xiàn)多種新型參量復(fù)合氧化物材料，并比較不同位置的替代對(duì)其新型氧化物材料的結(jié)構(gòu)和

7、性能影響;從而詳細(xì)地理解組分調(diào)制作用下的內(nèi)在物理意義;2）通過化學(xué)替代實(shí)現(xiàn)對(duì)新型參量復(fù)合氧化物量子功能材料的鈣鈦礦層結(jié)構(gòu)調(diào)控;并在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變區(qū)間發(fā)現(xiàn)類準(zhǔn)同型轉(zhuǎn)變效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了大的鐵電、介電、鐵磁響應(yīng);這些物理效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了新型的量子復(fù)合機(jī)制，豐富了基礎(chǔ)物理知識(shí);3）在新型的共生相層狀結(jié)構(gòu)材料體系中通過化學(xué)修飾來(lái)實(shí)現(xiàn)新型參量復(fù)合氧化物量子功能材料，并探討其物理性能及化學(xué)替代對(duì)該材料微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變特征;該工作顯示了在更復(fù)雜的層狀氧化物體系中，新型氧化

8、物的結(jié)構(gòu)及物性特征?？傊?，這些研究豐富了對(duì)層狀氧化物材料體系中新型參量復(fù)合氧化物量子功能材料的認(rèn)知，為未來(lái)探索更多新型參量復(fù)合氧化物量子功能材料提供了大量的借鑒意義。
　　具體章節(jié)主要內(nèi)容如下:
　　第一章概述了新型多參量復(fù)合量子功能材料，并綜述了近年來(lái)這類新型參量復(fù)合氧化物量子功能材料的研究進(jìn)展及存在的問題。
　　第二章分別研究了A位Gd摻雜和B位Ni摻雜對(duì)Aurivillius相Bi7Fe3Ti3O21氧化物的結(jié)構(gòu)

9、及性能的影響。
　　第三章研究過量鈷替代鐵原子對(duì)六層均相氧化物Bi7Fe3Ti3O21的結(jié)構(gòu)調(diào)制及性能的影響規(guī)律。
　　第四章介紹了非均質(zhì)相無(wú)序排列的Aurivillius相氧化物Bi11 Fe3Ti6O33材料，并研究了微量鈷摻雜對(duì)共生結(jié)構(gòu)材料的性能影響。
　　第五章介紹一種鑒定和量化Aurivillius相參量復(fù)合氧化物材料中鐵磁性雜質(zhì)的技術(shù)手段，稱為磁失重(DTMG)法。
　　第六章是對(duì)本論文的總結(jié)以及對(duì)未