铁钪氧化物的磁学和光学性质研究

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多铁性材料是含有多种铁性物理性质,且这些物理性质之间存在耦合作用的材料。这类材料不仅具有丰富的物理性质,而且在低功耗电子器件方面具有广阔的应用前景。近年来,在众多的多铁性氧化物中,含有Sc和Fe元素的ABO3型和六角型氧化物材料引起了研究者的广泛关注。目前,关于含有Sc和Fe元素的ABO3型和六角型氧化物材料的研究主要集中在其块材的磁学、电学和磁电耦合性质方面。随着电子器件的小型化,薄膜材料的制备及薄膜物理性质方面的研究变得越来越重要。但是该类材料的薄膜制备及物理性质方面的研究报道较少。同时,该类材料的光学性质方面的研究未见报道。因此,针对以上问题,本文选择了含有Sc和Fe元素的ABO3型ScFe1-xCrxO3氧化物和六角结构型BaFe12-yFeyO19氧化物材料,研究了其块材和薄膜(脉冲激光沉积法)的制备工艺,并进一步研究了材料成份对薄膜的磁学和光学性质的影响。具体的研究内容和结果如下:  本文第一部分研究了ScFe1-xCrxO3(0≤x≤0.8)块材和薄膜的制备工艺,并进一步研究了材料成份对薄膜的磁学和光学性质的影响。首先,本文采用固相反应法制备了 ScFeO3材料,研究其在烧结过程中的相变情况,结果表明,在烧结温度高于1400℃时,ScFeO3材料能以单相的形式存在,结晶性随烧结时间的延长逐渐改善。接着,研究了ScFe1-xCrxO3材料中随着Cr3+的掺入,相同烧结温度下相结构及磁性的改变情况。结果显示,Cr3+掺杂的增加对材料烧结温度及外加压强的要求提高,在同样的烧结条件下相结构由单相向多相转变,磁性随着材料成分的改变而改变。最后,制备了ScFe1-xCrxO3薄膜,并研究薄膜成份对薄膜磁性及光学带隙性质的影响。实验表明,薄膜的磁学性质较块材有明显差异,块材表现为顺磁和很弱的铁磁性,而薄膜表现为铁磁性。室温下薄膜的饱和磁化强度随Cr3+的掺入在x>0.5时急剧减小,这可能是因为在材料形成的过程中,加入的Cr3+过多而难以进入原有的晶格发生替代,甚至产生结构的畸变,从而影响薄膜材料的磁性能。Cr3+掺杂对材料的光学性质也有一定影响,但由于材料制备条件的影响没有表现出明显规律。  本文第二部分研究了BaFe12-yScyO19(0≤y≤1.8)块材和薄膜的制备工艺,并进一步研究了材料成份对薄膜的磁学、电学和光学性质的影响。首先,采用固相反应法制备了BaFe10.2Sc1.8O19材料,研究了其在不同温度下烧结时的相变过程和不同温度烧结后该材料的磁性能。结果表明,在1250℃下烧结后该材料成为单相多晶体,表现出优异的软磁性质。接着,制备了不同组分的BaFe12-yScyO19薄膜,研究了薄膜成份对薄膜磁学、电学和光学带隙性质的影响。结果表明材料的饱和磁化强度、剩磁比和矫顽力随着Sc3+的增多而减小,少量Mg2+的掺入不对磁性造成显著影响。电学测试结果表明BaFe10.2Sc1.8O19薄膜有显著的磁介电效应,其伏安特性曲线具有明显的二极管整流特性。通过BaFe12-yScyO19的光学性质表征发现该材料的光学带隙随着Sc3+的掺杂量呈线性变化。最后利用AAO模板掩膜法制备了BaFe10.2Sc1.8O19材料的纳米点阵结构,并研究了其磁性,结果显示出纳米结构具有各向异性的磁滞回线。
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