关键词:
多铁性
共沉淀法
BiMn2O5
CaMn7O12
第一性原理计算
电磁学性能
摘要:
本文采用化学共沉淀法和固相反应法合成制备了两种Mn基单相多铁性体BiMnO和CaMnO,并对其制备工艺及磁电性能作了系统性的表征。在制备纯相的基础上,同时对二者进行了掺杂改性实验,探讨了掺杂对其物相、形貌及性能等方面的影响,并对内在机理进行了一定的研究和探讨。采用共沉淀法合成制备了多铁性体BiMnO,对其进行了物相分析和形貌表征,表征分析了它的磁学和电学性能,并系统描述了BiMnO的磁结构。实验表明:在pH=11的共沉淀条件下制备的前驱体微粉,经800℃焙烧后可得到纯相的BiMnO粉体,其颗粒分布均匀、形貌完整且粒径在100 nm左右。文章测量得到BiMnO在室温下1 MHz时介电常数εr=1.6和介电损耗tanδ=0.336,并通过SQUID检测其磁相转变温度为42 K (TN=39~42K),得出有效磁矩μeff=6.72 μB,在5K时测得BiMnO的磁滞回线,显示其矫顽力高达6000 Oe,与之前水热法相比有很大提升。将BiMnO制备的传统的固相反应法与共沉淀法作了一系列的对比后,发现其颗粒平均尺寸(≈300 nm)较共沉淀法(≈100 nm)有明显增大。在介电性能方面,固相法制备BiMnO的介电常数εr值较共沉淀法更大,在1000 Hz时εr=255,而介电损耗tanδ=0.632,较共沉淀法更小。对BiMnO进行元素La、Eu、Ce掺杂研究。掺杂Ba后,颗粒的平均尺寸变大为2μm左右,较之前固相法制备的BiMnO粉体粒度有非常大的变化,而Ce、Eu的掺杂对颗粒粒径影响较小。掺杂后的Bi0.9X0.1Mn2O5 (X=Ce、Eu、Ba)介电性能在1000 Hz时均小于BiMnO (εr=255):具体来说,Bi0.9Ce0.1Mn2O5的εr=152而Bi0.9Ba0.1Mn2O5的εr=149,Bi0.9Eu0.1Mn2O5介电常数值最小,为er=63。而对于介电损耗tanδ来说,Bi0.9X0.1Mn2O5 (X=Ce、Eu、Ba)的介电损耗值tanδ分别为:0.335、0.106和0.199,均低于BiMn2Os的tanδ=0.632。在理论研究方面,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法对CaMnO的R3晶体结构进行了计算和表征,对螺旋桨型磁序的电子结构及相变机制进行了理论分析和研究;在实验方面以TG-DSC为指导,采用固相反应法制备了单相多铁性体CaMnO,并检测表征其磁、电学性能。磁学方面验证了CaMnO的两个磁相转变温度(TN1=90K和TN2=45K),测得其在10K温度下存在磁滞回线(Mr=0.02 emu·g-1和Hc≈1000 Oe);电学方面在室温条件下表征其在10 MHz频率时εr=280和tanδ=1.69。对CaMnO进行了一定的掺杂改性研究,主要掺杂元素有La和Cu。XRD图并无明显的不同,显示掺杂并没有改变原有的晶体结构。形貌表征掺杂后产物的颗粒尺寸有显著增大,其中以掺杂La元素较为明显,由原来的0.5μm增大到3μm。介电性能的测试表明掺杂对CaMnO的室温介电性能影响不大,反映在掺杂后Ca0.94La0.06Mn7O12和CaCu0.15Mn6.85O12的介电常数和介电损耗值略有增大:具体在10 MHz时,Ca0.94La0.06Mn7O12的介电常数值er=350,介电损耗值tanδ=2.40;CaCu0.15Mn6.85O12的介电常数值εr=330,介电损耗值tanδ=2.13。