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随着人们对信息存储和信息处理方面的要求逐步提高,存储器件的多功能化是必由之路。因此,对同时具有磁性和铁电性、有望实现磁电相互调控的多铁性材料的研究成为信息存储技术日趋提升的需要,具有重要的科学意义和应用前景。虽然人们已在相关领域开展了一些工作,但是在该体系中还存在一些亟待解决的问题,比如如何实现在室温附近的低场调控,并且很多材料的多铁性起源尚不十分明确。
针对上述问题,本论文主要研究了若干多铁性材料的介电特性及其外场调控性质,探索了获得低场室温的介电可调性的途径,初步讨论了介电调控的起源及其与结构、磁、铁电和多铁性的关系。论文内容共分为六章,每章的主要内容分别概括如下:
第一章主要综述了多铁性材料的研究进展,对每一类多铁材料的磁及铁电起源进行了概述,并详细介绍了“电子铁电体”LuFe2O4的结构和物理性能,讨论了电荷有序态对其磁电调控的重要意义。
第二章我们研究了LuFe2O4 体系的结构及光谱学特性,以及Mn 掺杂的LuFe2O4 体系的介电及多铁性质。发现在LuFe2O4的亚铁磁和铁电转变温度附近,均观察到了晶胞参数、Fe-Fe 层间间距的异常变化。与此同时,拉曼和红外振动模的峰值频率随着温度的变化发生了相应的移动,并在磁和铁电转变处也出现了台阶状的突变。该结果证明了该体系中存在结构和磁性、铁电性之间的内在关联。另一方面,对LuFe2-xMnxO4(0≤x≤1)体系的磁性、介电及其磁/电场调控的研究表明,Mn掺杂抑制了体系中Fe3+和Fe2+离子之间的电荷涨落和电子跃迁,使磁有序温度、介电常数和损耗降低。并且在这些样品中观测到了室温下的低磁/电场可调的介电特性。
第三章研究了石榴石型铁氧体Lu3Fe5O12的多晶和薄膜样品的基本性能。发现不同退火条件对该Lu3Fe5O12多晶样品中氧含量有着重要的影响,进而引起磁性及介电性质的变化。结果表明,经过氧气退火处理的样品具有最低的介电损耗值。在此基础上,利用磁控射频溅射方法对Lu3Fe5O12外延薄膜样品的制备工艺进行了初步的探索,发现不同的沉积温度、气氛、退火条件等对该系列薄膜的磁性有着及其重要的影响。
第四章介绍了可能的电荷有序多铁材料La1-xCaxMnO3电场调控的介电特性。
通过研究不同组分(0.6≤ x≤ 0.8)的La1-xCaxMnO3介电及阻抗特性,发现该体系中存在很大的介电调制效应,10 V/cm的电场下就有80%以上的介电常数变化,并且发现其调制效应与Maxwell-Wagner 非本征效应密切相关,同时电荷有序态的稳定性也决定着介电调制的大小和可调频率范围。
第五章研究了(1-x)La2NiMnO6-(x)La2/3Sr1/3MnO3复合体系的磁介电效应。发现该体系中存在着较大的室温磁介电效应,并且其磁介电数值随着x非单调变化,在x=0.4时最大,该组分样品在1kOe的磁场下可以获得20%的室温磁介电变化。该体系在较宽的温度和频率范围内都能观察到较强的磁介电效应。
第六章介绍了光学浮熔区法生长Y/DyMnO3多铁性单晶的制备工艺、结构表征及其基本物性测量。