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M-型六角铁氧体AFe12O19(常见的A=Pb,Ba,Sr)因其具较大的单轴磁晶各向异性和磁能积、高矫顽力,及室温下亚铁磁性等优点,不仅可作为传统的永磁材料,而且在高密度信息存储器、磁电器件和微波器件等方面得到广泛应用。更有意义的是,通过掺杂可在这类铁磁体中诱导出非共线锥形螺旋畴,并由于反Dzyaloshinskii-Moriya作用可带来明显的磁致电极化及磁电效应。跟传统锰氧化物相比,这种磁电效应所需磁场低,工作温度较高,从而受到广泛重视。但是其低绝缘性及难以获得室温磁电性还是当前面临的关键性挑战。本工作希望通过Co-Ti共掺的方法提高其绝缘性和磁电耦合工作温度,并对其磁性进行调控。 本论文采用高能球磨固相反应法制备了一系列不同含量的Co2+-Ti4+离子对掺杂取代的M-型钡六角铁氧体BaCoxTixFe12.2xO19(x=0~4)陶瓷样品。研究了掺杂离子对M-型钡铁氧体陶瓷晶体结构、显微结构、磁性能、电性能和磁电性能等方面影响的规律及物理机制。得出以下结论: 1.采用高能球磨固相反应法,我们成功合成单相的Co-Ti共掺杂钡六角铁氧体陶瓷样品。XRD图谱分析说明Co-Ti已进入了晶格的Fe位,形成了很好的固溶体。通过SEM可以观察到样品的晶粒大小随着掺杂量x增大而增大。 2.对Raman光谱的分析发现,随着Co-Ti掺杂量的增加,拉曼散射峰数量减少且变宽。通过分析Co-Ti在晶体中的占位情况,表明了Co-Ti占据不同Fe位对晶格原子振动具有很大的影响。 3.所有的BaCoxTixFe12-2xO19(x=0~4)陶瓷样品都具有良好的室温铁磁性能。而且随着Co-Ti掺杂量x的增加,样品的饱和磁化强度呈现先增大后减少的趋势,并在掺杂量x=0.5时达到最大值。随着Co-Ti离子的加入,样品的矫顽场急剧下降到最后基本保持不变。样品BaCo3Ti3Fe6O19(x=3)在0.05T磁场下的300~800 K温度范围的M-T曲线表明了Co-Ti离子的掺杂能够改变M-型钡铁氧体的共线亚铁磁结构,使得样品具有锥形自旋螺旋磁结构,且该结构在410 K以下能稳定存在。 4.通过对样品电性能的研究发现,Co-Ti掺杂后样品的电阻率均大大提高,与纯样品相比,电阻率增大了三个数量级。铁电测量结果表明,当Co-Ti掺杂量x<2时,样品的铁电回线呈椭圆状,表明了大的漏电流的存在。当掺杂量进一步增加时,x≥2的样品均能获得室温下类P-E的铁电回线。 5.通过对样品的介电性能测量分析,发现样品的介电常数和损耗均随着频率的增大而减少。当掺杂量x≥2时,样品的介电常数随频率的变化不明显,与纯样品相比,介电损耗则降低了两个数量级。表明了Co-Ti共掺杂M-型钡六角铁氧体能够较大的降低样品介电常数和损耗,提高介电常数和损耗随频率的稳定性。 6.通过对样品的磁介电的测量分析,发现掺杂量x<2的样品没有明显的磁电容效应。而掺杂量x≥2的样品,均能获得室温下的磁介电。在1T的外加磁场下,掺杂量x=2的样品的磁介电比率约为-3%,而样品x=3的磁介电比率为约-1.4%。实验结果表明了通过采用Co2+-Ti4+部分取代M-型钡六角铁氧体中的Fe3+离子能够使材料具有室温下的磁电耦合效应。