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磁电效应(magnetoelectric effect)是指材料磁学性质(磁化强度M)和介电性质(电极化强度P)有序参量之间产生耦合作用的物理现象。具有磁电效应的材料在信息存储、能量转换、信号传感及磁(电)场检测等领域具有广阔的应用前景。目前,大多数磁电材料产生磁电效应的温度(<30 K)远低于室温,所需的磁场(>1 T)也较大,这些都限制了磁电材料在实际应用中的发展。因此研制适用于室温低场条件下的磁电材料显得尤为重要。
本工作针对国际前沿新型磁电材料的制备和机理展开研究,探索了以铁电材料Bi2(V1-xMnx)5.5-δ为基的铁磁相的引入,以及以铁磁材料Sr3Co2Fe24O41为基的电极化效应的产生机制。对粉末的化学组成、显微结构和相结构进行了分析,并测试了材料的铁磁/磁电特性。系统研究了材料制备中的热动力学过程、材料结构的精修、材料结构与其铁磁/磁电的关系,以及磁性离子和氧分压等对材料性能的影响。选题对于新型功能材料的结构构建、新功能和新效应的研发具有重要意义。
首先,本文对铁电材料中磁性离子掺杂以实现磁电效应进行了可行性分析。设计了以Mn离子部分取代铁电材料Bi2VO5.5-δ中V和Bi离子的实验方案,采用固相法在900℃煅烧4小时合成了单相的Bi2(V0.9Mn0.1)O5.5-δ和Bi2(V0.8Mn0.2)O5.5-δ。结果表明:Mn离子只能部分取代V离子,其固溶限为0.10-0.20,掺入的Mn离子表现为Mn2+/Mn3+混合价态。两种物质均表现出顺磁磁性。对Bi2(V1-xMnx)O5.5-δ进行了晶体结构精修,Rp=4.25%(x=0.10),Rp=4.82%(x=0.20),构建了Bi2(V1-xMnx)O5.5-δ晶体结构模型。该晶体结构由Bi-O层(四面体)和V/Mn-O层组成(扭曲的四面体+扭曲的八面体)。在V/Mn-O层中,顶点氧O(2)和O(4)分别与V/Mn原子形成六配位和四配位结构;赤道氧O(3)与V/Mn原子既可形成六配位又可形成四配位,且氧空位集中在赤道氧位置。
其次,本文探索了在具有非共线螺旋状磁结构的铁磁材料中实现电极化的可行性。采用固相法在1250℃煅烧8小时合成Z型六角晶系铁氧体Sr3Co2Fe24O41,确定了Sr3Co2Fe24O41(Z)相的最佳合成配方和工艺,研究了材料制备中的热动力学过程、材料结构与磁电性能的关系,以及氧分压对材料性能的影响。结果表明:在氧气气氛中烧结更有利于材料晶粒的生长和材料的致密化;在室温条件下,外加磁场可诱发Z相材料产生垂直于磁场方向的电极化。