层状钙钛矿型La2Ti2O7陶瓷的制备及其多铁性研究

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多铁性材料具有两种或两种以上的铁性,如铁弹性、铁磁性、铁电性等等。多铁性材料目前被广泛研究,因为耦合作用容易发生在其电有序和磁有序之间,即电极化可以由外磁场调控而外电场也可以调控磁有序状态,利用此磁电耦合特性使其在磁电随机存储器、传感器等方面有广泛的潜在应用前景。稀土钛酸盐R2Ti2O7(R=稀土元素)具有丰富的物理性质和广泛的应用前景,当R=La和Nd时其为单斜结构,当R=Sm~Lu、Y时其为绿烧石结构。对于单斜结构的La2Ti2O7,人们多为关注其光学催化、荧光性质等性质,而对其多铁特性研究则较少。本文探索了不同烧结条件对La2Ti2O7陶瓷铁电性的影响,并在此基础上通过A位和B位适量元素掺杂来获得室温下铁电性和铁磁性的共存。论文的主要内容如下:(1)采用固相法合成La2Ti2O7,研究不同烧结温度和烧结时间对其铁电性影响,并对其介电行为进行分析。通过对其微观结构和铁电性进行了表征,发现当烧结温度为1400oC、烧结时间为24h时,其铁电性最好。在最佳烧结条件制备La2Ti2O7,在2~10MHz频率范围内,其相对介电常数和介电损耗基本保持不变,当温度上升时,相对应的数值也增大。(2)采用固相法分别合成一系列Mn和Fe掺杂的La2Ti2O7样品。首先,研究Mn掺杂对La2Ti2O7样品的XRD、SEM、P-E和M-H、介电频谱等结果的影响。X射线衍射结果表明固相法合成的所有La2Ti2-xMnxO7(0≤x≤0.16)陶瓷样品均为单相;因为Mn离子的引入,La2Ti2O7样品的晶粒尺寸减小,La2Ti2O7晶粒的生长收到抑制;跟纯相的La2Ti2O7相比,掺杂样品的铁电性减弱,但随着Mn掺杂量的增加,样品的铁电性先减弱后增强,这由于氧空位浓度变化导致的;同时,所有引入Mn离子的La2Ti2O7样品在室温下均具有很弱的铁磁性。在所有的样品中,Mn离子浓度为x=0.08的样品表现出最佳的多铁性,其室温下的剩余磁化强度和矫顽场分别为0.0018emu/g和0.38μC/cm2。接着,在B位引入Fe离子,探索Fe离子的引入对La2Ti2O7样品的XRD、P-E和M-H曲线等影响。研究结果表明低掺杂量为单相,掺杂量大于0.04就有La2/3TiO3杂相出现;同纯相的La2Ti2O7相比,引入Fe离子的样品的铁电性减弱,但当Fe离子浓度上升时,样品的铁电性逐渐增强,这是因为高掺杂量样品中出现La2/3TiO3的缘故;通过比较不同Fe离子浓度的样品的M-H曲线,发现当Fe离子浓度上升时,La2Ti2O7样品的铁磁性逐渐增强。(3)在La2Ti2O7样品的A位掺杂Nd离子,同时在B位掺杂8%的Mn离子,研究掺杂样品的物相、磁性和铁电性。采用固相法合成了一系列的La2-xNdxTi1.92Mn0.08O7(0≤x≤0.4)陶瓷样品,X射线衍射结果表明,所有样品均为单相,表明Nd和Mn能够同时完全进入到La2Ti2O7晶格中去;与La2Ti1.92Mn0.08O7陶瓷样品相比,Nd掺杂能够起到改善样品铁电性的作用;室温磁滞回线的结果表明,Nd的引入使得La2Ti1.92Mn0.08O7陶瓷逐渐由铁磁性变为顺磁性。
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