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Fe3O4存在很多特殊的物理及电学性能如:电荷有序(CO)、原子价态的混合等。常温下的磁铁矿,Fe2+和Fe3+在八面体位置上的排列基本上是无序的,电子可以在铁的两种氧化态间迅速转移,所以常温下Fe3O4具有较好的导电性。但随着温度降低至125K附近时,Fe3O4的电阻率会突然增大,并表现出明显的跳变,即CO相变。近来人们预言Fe3O4中可能会由于CO而至使铁电性有可能存在,所以更加引起了关注。
本文主要研究了Fe3O4陶瓷样品的制备及低温下陶瓷样品的电输运性能、电荷有序现象和陶瓷样品的Verwey转变;以及低温下电场偏置对样品的电输运性能影响;并讨论了晶粒尺寸对电性能的影响。
我们用粉末Fe3O4原料,采用固相烧结法在高温低压气氛保护炉中烧结制备Fe3O4陶瓷样品,并对烧结温度进行了探索。样品经XRD、SEM及金相显微镜分析表证,表明所制备的陶瓷样品物相单一、颗粒均匀,实验重复性好。
对样品进行低温下p—T测试,结果表明陶瓷样品电阻率随温度降低而增大并在125K附近弯曲,高于125K之前陶瓷样品电阻率变化较小,125K之后电阻率变化较剧烈;并且跟以前人们所做的单晶和薄膜样品的p—T曲线相对比,说明产生这样的变化与晶粒尺寸有一定联系。
采用Agilent4294A精密阻抗分析仪对样品进行变温交流阻抗谱的测试,分析中应用了带有漏导的电容器模型建立等效电路。我们发现陶瓷样品的空间电荷极化在处于kHz数量级以上,100K温度以下极化特征向低频移动:在高频区10kHz以上,样品的介电常数随温度变化在120K附近出现极大值,这有可能是由于电荷发生有序排列后体系中出现类似铁电行为的迹象。在直流电场偏置下,样品的介电损耗加大,介电常数减小;在高电场时,按照我们建立的模型,介电常数变为负值,这很可能是由于载流子退局域化的结果。