氧化物纳米材料的磁性以及磁电耦合特性研究

【摘要】纳米材料指的是一种天然或人工合成的由颗粒组成的粉末或是块状材料。颗粒的一维或者多维的尺寸在1-100nm之间,并且这种纳米颗粒的总数量占整个材料颗粒数的一半以上。纳米材料独特的小尺寸效应,量子尺寸效应,表面与界面效应和宏观量子轨道效应,使得该种材料在光学,化工,陶瓷,电子学和医学等众多领域里有了广泛的应用,从而在世界范围内,引发了一场对纳米材料研究的热潮。除此之外,由于制备技术、表征手段和理论分析水平的提高,纳米薄膜材料也得到了飞速发展。因为自身在力学性能,催化性能,光学性能,超导性能等方面具有独特的优势,纳米薄膜材料在科研领域,电子工业领域和军事领域都扮演着极其重要的角色。但是目前由于成本高,制备条件苛刻等问题,纳米材料并未能全部工业化生产。多铁性材料通常指的是在同一个相下包含铁磁、反铁磁,铁电,反铁电,铁弹,这几种基本铁有序性能中的两种或两种以上的材料,并且材料中的不同的铁性之间可以存在耦合作用。目前多铁研究的热点之一是在单相材料中,使得铁磁性和铁电性共存,并且使其产生磁电耦合作用。通过单相材料中磁电耦合作用,外加电场调控整个材料体系的磁性能,反之,多铁单相材料的电学性质也可以通过施加外磁场来调节。利用这种磁电耦合效应,我们可以制作出存储器,记忆元件以及各种电控制磁性传感器,探测器等等器件,应用前景十分广阔。因此近些年来,多铁性材料的开发和应用已逐渐成为功能材料领域研究的一大热点。近年来,虽然人们对单相多铁材料的磁性研究做了大量的实验验证和理论分析工作,但是依然存在着一些问题还不是很清楚,甚至富有争议。例如镧掺杂的钛酸铅(PLT)铁电体系和钾掺杂的钛酸铋钠((Na,K)0.5Bi0.5TiO3)的磁性来源是什么,磁性是否是本征的,阳离子空位与阴离子空位对这两种体系的磁性会有什么影响,都是哪种原子上的哪个轨道的电子对该体系的磁性起到主要作用,外加的电场和磁场分别都是怎样调控该种材料的磁性和铁电性等等。这些问题需要进一步的研究和分析,从而对单相多铁材料的磁性有更加清晰的认识,进而对寻找更多的单相多铁材料和更好的利用单相多铁材料提供实验依据和理论支持。此外,有机小分子材料的磁性也是磁性研究领域里的一个热点,虽然取得了很多成果,但是含金属的非纯有机小分子的磁性来源依然是一个需要探究的问题。针对以上问题,本文主要得到了以下结论：1.我们在室温下观察到,不同温度下烧结1小时的Pb0.82La0.18TiO3陶瓷片样品的具有室温铁磁性,Pb0.82La0.18TiO3陶瓷片样品的室温铁磁性随烧结温度升高而降低,这是由于烧结温度越高,样品的晶粒就会越大,而同时颗粒表面的缺陷量就会减小。除了室温铁性以外,Pb0.82La0.18TiO3陶瓷片样品还有一个低于75K的铁磁性,这个铁磁性是由La原子掺杂和Pb空位共同作用导致的。我们通过真空退火的实验,证明了Pb0.82La0.18TiO3纳米微粉的室温铁磁性是由于样品中的氧缺陷导致的。室温下,施加一个直流电场可以大大提高该Pb0.82La0.18TiO3陶瓷片样品的磁性,这体现了强有力的磁电耦合效应。2.运用第一性原理计算,我们发现标准比例(?)Pb0.875La0.125TiO3的态密度图中,费米面附近存在自旋劈裂,显示0.57μB大小的铁磁性,这主要是Ti原子的3d电子极化导致的。磁矩主要分布在La原子周围的Ti原子上。标准比例的Pb0.875La0.125TiO3超晶胞体系的铁磁耦合态比反铁磁态更加稳定。通过研究氧空位对标准比例的Pb0.875La0.125TiO3超晶胞体系磁性的影响,我们发现Pb0.875La0.125TiO3超晶胞体系引入氧缺陷可以导致磁性的提高。通过相对缺陷形成能对比,我们还发现Pb0.875La0.125TiO3超晶胞体系中的03位置的氧原子在我们所研究的这五种情况中最容易失掉,此时体系具有的磁矩为0.74μB。在标准比例的Pb0.875La0.125TiO3超晶胞体系中,移除2个Pb原子后,会产生磁性。这主要是O原子的2p电子自旋极化导致的。移除Pb2和Pb4这两个Pb原子后的Pb0.875La0.125TiO3超晶胞体系,在我们研究的这四种情况中能量最低,比较稳定,该体系具有0.97μB的磁矩。通过研究氧空位对移除Pb2和Pb4的(?)Pb0.875La0.125TiO3超晶胞体系的磁性的影响,我们发现引入氧缺陷可以导致磁性的提高。我们还发现移除Pb2和Pb4的Pb0.875La0.125TiO3超晶胞体系中的07位置的氧原子在我们所研究的这两种情况中,更容易失掉,此时体系具有的磁矩为1.05μB。3.我们通过真空退火实验发现钛酸铋钠纳米晶的室温铁磁性来源于阳离子空位。我们同时在室温多铁Pb0.82La0.18TiO3材料中观察到强的室温磁电耦合。我们在900。C下退火1小时Pb0.82La0.18TiO3陶瓷片样品上观察到明显的磁介电效应,随着磁场的增大,四种频率下的介电常数都有不同程度的增加,在低频下样品的磁介电效应更为强烈,随着频率的升高,磁介电效应也随之减弱,该磁介电效应具有各向同性。我们还发现随着极化直流电场强度的增加,Pb0.82La0.18TiO3陶瓷片样品的饱和磁化强度也随之增加,体现出磁电耦合效应。对于铁电陶瓷材同时,我们用LDA+U对Pb0.82La0.18TiO3(100)表面的计算结果表明,Na空位也可在Pb0.82La0.18TiO3的表面引入铁磁性。4.我们实验发现(Na,K)0.5Bi0.5TiO3纳米品的具有室温铁磁性,但是无论是纳米晶粉末还是陶瓷片,我们都发现,随着钾含量的增多(Na,K)0.5Bi0.5TiO3样品的磁性在逐渐减弱。我们对此用第一性原理LDA+U计算进行了讨论,我们发现等化学计量比的(Na2/3K1/3)0.5Bi0.5TiO3是无磁性的,含一个Na空位的(Na2/3K1/3)0.5Bi0.5TiO3体系可以体现磁性,并且是O原子的2p电子的极化导致的该体系的产生磁性。对此计算结果,我们用真空退火和空气回火实验也做了验证。在室温下,我们在(Na,K)0.5B0.5TiO3纳米晶上观察到了明显的磁电耦合效应。随着外加磁场绝对值的增加,四种频率下的介电常数都随之增加。在低频下样品的磁介电效应更为强烈,随着频率的升高,磁介电效应也随之减弱。另外,我们发现随着极化直流电场强度的增加,片状(Na,K)0.5Bi0.5TiO3纳米晶材料的饱和磁化强度也随之增加。5.我们通过第一性原理计算中的GGA方法计算出,标准化学计量比的Alq3分子和Gaq3分子是无磁的；含有一个H空位的Alq3分子和Gaq3分子,会显示磁性。这主要是因为H空位的产生,直接性破坏了原先H原子和C原子的共价键,使得C原子上出现了未配对的P电子,发生了极化,导致Alq3分子和Gaq3分子产生磁性；Alq3分子和Gaq3分子中引入H空位的六种情况的体系的磁矩基本是都分布在离着H空位较近的C原子上。在VH1和VH2这两个位置,由于它们所在的羟基喹啉配体上的N原子较近,使得该羟基喹啉配体上的N原子上也分布了一点磁矩。由此证明H空位在Alq3分子和Gaq3中诱导的磁性都是局域的,这跟分子中的价键都是共价键有关,不存在巡游的电子；通过带有H空位的Alq3分子体系和带有H空位的Gaq3分子体系的空位相对形成能的比较,我们就可以得出,该分子体系中,都是VH3位置的H原子更容易丢失。可能是Al原子与Ga原子的半径不一样,所以导致的VH3与Al原子的距离和VH3与Ga原子的距离不一致。
【作者】鞠林；
【导师】胡季帆；
【作者基本信息】山东大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】多铁材料；纳米材料；磁电耦合；

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