正電子湮沒技術對多鐵材料鐵磁性能與缺陷的研究.pdf

1、多鐵材料通常指同時具有鐵電性能和鐵磁性能的材料。近年來，由于多鐵材料具有的特殊物理性質以及潛在的應用價值，使其受到了越來越多的關注，成為了材料科學領域的研究熱點。目前，有關多鐵材料實驗方面和理論方面的工作都在不斷發(fā)展中，其中關于多鐵材料磁性起源、磁電效應、鐵電起源等的理論解釋不斷涌現(xiàn)，這些理論工作在一定程度上又指導了實驗工作，使人們發(fā)現(xiàn)了更多種類的多鐵材料。實驗和理論研究的配合使人們對多鐵材料的認識越來越清晰，但發(fā)展室溫多鐵材料還有大量

2、的問題有待研究解決。例如材料中磁性來源是什么，磁電耦合機制是什么等等。大量的實驗和理論工作表明，空位缺陷和元素摻雜能導致半導體具有磁性，那么在多鐵材料中，微觀缺陷是否會對鐵磁性產(chǎn)生影響？其作用機制是什么？這個問題的解決對提高多鐵材料的性能具有重要的意義。
　　正電子湮沒譜學是一門將核探測技術應用于固體物理與材料領域的學科，包括正電子實驗探測技術和正電子理論計算兩大部分。正電子湮沒技術對材料原子尺度的缺陷非常敏感，可以提供缺陷尺寸、

3、缺陷類型、缺陷濃度以及缺陷隨深度分布的信息，在探究材料缺陷方面具有不可替代性。
　　本論文采用正電子實驗探測與正電子理論計算相結合的手段，對包括“明星”多鐵材料BiFeO3、鉍層狀鈣鈦礦結構氧化物以及納米材料SrTiO3等在內的幾種典型的多鐵材料進行了系統(tǒng)的研究，探討了材料微觀缺陷與宏觀性質的內在關聯(lián)。取得的主要研究成果有:
　　1.利用正電子湮沒壽命技術和符合多普勒展寬技術，配合正電子壽命理論計算，對La摻雜的BiFeO3

4、材料中的缺陷進行了系統(tǒng)探究。在此基礎上，結合XRD測試、拉曼測試以及磁性測試結果，對材料內部鐵磁性能的起源進行了分析。實驗結果表明:(a)在不同La摻雜濃度的樣品Bi1-xLaxFeO3中，發(fā)現(xiàn)當摻雜濃度x＞0.20時，Bi單空位逐漸消失，大孔洞的空位團簇出現(xiàn)，與此同時，剩余磁化強度也隨之增大，表明陽離子空位型缺陷會對材料磁性產(chǎn)生影響。(b)在不同煅燒條件下得到的Bi0.7La0.3FeO3樣品中，發(fā)現(xiàn)同時采用相對較高的煅燒溫度和較長的

5、煅燒時間對材料進行處理時，Bi0.7La0.3FeO3的磁性能才出現(xiàn)了明顯的改變，此時樣品中的缺陷濃度是相對最高的，且缺陷類型以雙空位或三空位等復合空位缺陷為主。這說明經(jīng)過充分煅燒后，樣品內部晶粒會發(fā)育完全，使得大量微孔洞消失，小尺寸復合空位缺陷濃度增加，有利于增強室溫鐵磁性能。(c)在探究Fe空位對Bi0.7La0.3FeO3樣品鐵磁性能的影響中，嘗試通過減少Fe元素含量的方式來獲取Fe空位的變化。結果表明Fe空位確實會對室溫下的鐵磁

6、性能產(chǎn)生影響。
　　2.利用正電子湮沒壽命譜儀和符合多普勒展寬譜儀研究了鉍層狀結構氧化物中缺陷的變化，結合XRD、SEM測量結果以及磁性測量結果，探討了缺陷對其室溫鐵磁性能的影響。(a)在對Bi7Fe2.75Co0.25Ti3O21材料的界面缺陷和鐵磁性分析工作中，發(fā)現(xiàn)飽和磁化強度的變化趨勢與界面缺陷消失的過程是一致的。界面缺陷會對此材料的鐵磁性能產(chǎn)生影響，缺陷濃度的減小會導致飽和磁化強度降低。(b)對Bi7Fe2.9Co0.1T

7、i3O21材料進行A位鉺元素摻雜，發(fā)現(xiàn)材料內部缺陷濃度和缺陷類型均發(fā)生了變化，材料內部缺陷濃度的變化趨勢與飽和磁化強度的變化并不一致，表明缺陷對材料磁性能的作用，不僅與缺陷濃度有關，與缺陷的類型也有很大關系。
　　3.利用正電子湮沒壽命譜儀和正電子理論計算，結合XRD、SEM以及磁性測試對納米材料SrTiO3的磁性起源進行了探究。實驗結果顯示當材料內部缺陷大量減少時磁性消失，表明室溫鐵磁性的產(chǎn)生與缺陷有很大關系。并且在進一步的探究