不含鐵磁元素的納米晶室溫多鐵材料研究

《不含鐵磁元素的納米晶室溫多鐵材料研究》是依託山東大學，由胡季帆擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：不含鐵磁元素的納米晶室溫多鐵材料研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：胡季帆
• 依託單位：山東大學

中文摘要

同時具有鐵電和磁有序的室溫多鐵材料可方便地實現電場對磁化矢量以及磁場對電極化矢量的控制與反轉，有望在自旋磁電子學、感測控制、信息存儲等領域存在重要套用前景。遺憾的是，目前發現的絕大部分單相多鐵性材料在低溫才有磁電耦合效應， 這嚴重限制了其套用。另外已發現的單相多鐵性材料絕大部分為鐵電與反鐵磁共存、耦合， 而具有室溫單相多鐵化合物卻極少。鈦酸鉍鈉系列材料是一種很有希望的無鉛壓電陶瓷候選材料，本身具有鐵電性。本項目將製備鈦酸鉍納系列室溫鐵電、鐵磁納米晶多鐵材料， 並探索其鐵磁性的來源；研究材料中的磁電容及磁電耦合效應。 本項目對理解不含鐵磁元素的氧化物的室溫鐵磁性起源、探索新型常溫磁電耦合效應有重要意義，對未來發展磁場控制的壓電感測器也有重要參考價值。

結題摘要

同時具有鐵電和鐵磁的室溫多鐵材料可方便地實現磁電調控， 有望在自旋磁電子學、感測控制、信息存儲等領域存在重要套用前景。遺憾的是目前發現的單相磁電多鐵材料數量很稀少，而且絕大部分單相多鐵性材料在低溫才有磁電耦合效應，這嚴重限制了其套用。在本項目中，我們成功製備了多種不含鐵磁元素的納米晶以及薄膜室溫鐵磁鐵電共存的多鐵材料，諸如納米晶鈦酸鉍納、鈦酸鉍納鉀、鈦酸鉛、鈦酸鉛鑭、Pr2Ti2O7以及鈦酸鉍納薄膜。這些納米晶材料鐵磁鐵電共存的多鐵性靈敏依賴於退火溫度以及退火時間， 而薄膜多鐵依賴於沉積溫度、沉積氣氛以及後退火溫度。一般不含鐵磁元素的鐵電陶瓷材料是無磁性的。 我們實驗發現納米晶鈦酸鉍納、鈦酸鉍納鉀與鈮酸鉀鈉薄膜的室溫磁性與陽離子空位相關；而鈦酸鉛、鈦酸鉛鑭、Pr2Ti2O7的室溫磁性與氧空位有關。 第一性原理計算發現鈦酸鉍納中的Bi空位和O空位不能引入磁性。而Na和Ti空位可在NBT中引入鐵磁性，主要由於氧的2p自旋極化。對比Na和Ti空位的形成能，認為主要是納米晶粒表面Na空位導致室溫鐵磁性。鈉空位在鈦酸鉍納鉀也引入磁性，但磁矩比鈦酸鉍納低，該結果與實驗一致。在BaNb2O6中，氧空位以及Nb空位可引入磁性，源自於Nb-4s或O-2p的自旋極化。由於氧空位具有低得多的形成能，該室溫鐵磁性可能源自氧空位。計算發現Li空位， Nb空位和Ta空位可在LiNbO3或LiTaO3中產生磁性，其主要由於氧2p極化。而氧空位可在LiNbO3中產生磁性，源於Nb-4s自旋極化；但在LiTaO3卻不能。當Ca，Sr，Ba 和F，Cl，Br 摻雜到LiNbO3 體系中時，體系會產生磁性, 主要源於Nb -4s 電子的自旋極化。我們在多鐵鈦酸鉍納、鈦酸鉍納鉀、鈦酸鉛以及鈮酸鉀鈉薄膜觀察到很強的磁電容，同時在鈦酸鉍納、鈦酸鉍納鉀、鈦酸鉛鑭、鈮酸鉀鈉發現極化電場增強飽和磁化強度的現象， 揭示了這些多鐵材料中存在的磁電耦合現象。室溫多鐵材料以及室溫磁電耦合的探索發現，不僅具有非常重要的科研意義，對未來磁電套用器件的研發也具有參考價值。