钙钛矿纳米材料的磁性与其他性质研究

作     者：孔祥薇 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡季帆

授予年度：2012年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：钙钛矿氧化物 溶胶凝胶法 磁性 多铁 气敏性能 

摘      要：钙钛矿型氧化物ABO3（A为较大半径阳离子如Na+、K+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、稀土离子等,B为较小半径阳离子如Ti4+、Nb5+、Mn4+、Fe3+、Tb4+、Zr4+等）由于其独特的电子结构和化学稳定性而在许多领域都有极其重要的用途。尤其其磁性能、气敏性能、多铁性能近来受到广大科研工作者的青睐。 磁电多铁性材料是指在一定温区内同时具有铁电（反铁电）序和铁磁（反铁磁）序的材料。这两种有序之间的耦合作用是研究的热点。但是钙钛矿型氧化物要产生自发极化,必须破坏中心对称,这就要求有空的3d壳层,但是只有部分填充的3d轨道才可以导致磁有序。而研究发现纳米材料内部的固有缺陷如氧空位等可以使体系表现出d0磁性。论文研究了铁电材料PZT的室温铁磁性与磁介电耦合效应。 钙钛矿型稀土正交铁氧体NdFeO3室温时为反铁磁体,中子衍射结果表明,涅尔温度为760K。体系中存在两种磁性离子：Nd3+和Fe3+;三种交换相互作用：Fe-Fe、Nd-Fe和Nd-Nd。正是由于这三种相互作用机制间的竞争,使得体系磁性能复杂多变。为了清晰认识NdFeO3体系的磁性能,论文中对其进行了研究。同时我们还研究了其介电性能。 与单一的金属氧化物相比,钙钛矿型氧化物对气体的灵敏性、选择性以及工作温度等可以通过改变A、B位置的金属元素来实现,也可以通过掺杂来实现,具有很大的灵活性。其中研究最多的是RFeO3（R代表稀土离子）,又常以低价阳离子元素如Ca、Sr、Ba、Pb等来部分替代R的位置。论文研究了Nd1-xCaxFeO3纳米晶体系的气敏性能。 论文的工作主要得到如下结论： 1.空间结构：采用溶胶-凝胶法制备PbZr0.1Ti0.9O3,PbZr0.2Ti0.8O3,（x=0,0.1,0.2,0.3,0.4）纳米晶材料,在制备PZT系列时考虑到Pb组分在烧结中的挥发损耗,我们在实验过程中加入了过量3%的乙酸铅。通过X光谱分析,制得的纳米晶材料皆为单一、稳定的钙钛矿结构。 2.采用溶胶-凝胶法制备的PbZr0.1Ti0.9O3和PbZr0.2Ti0.8O3内米晶材料,在室温下,测试到了较弱的铁磁性。铁磁性可能源于样品中存在的氧空位。我们分别在PbZr0.1Ti0.9O3圆薄片（1150℃下煅烧2h）和PbZr0.2Ti0.8O3圆薄片（1000℃下煅烧1h）中同时测试到铁电性和铁磁性。我们还观测到PbZr0.1Ti0.9O3圆薄片的磁介电效应,且△ε/εr（0）=18.3%;而在PbZr0.2Ti0.8O3圆薄片中,△ε/εr（0）的值达到了25.3%。 3.将溶胶-凝胶法制得的NdFeO3纳米晶粉体压片,在1000℃煅烧1h。50K时测得的磁滞回线既有反铁磁性同时有弱铁磁性,而在4K和300K下样品为本征的反铁磁性。同时NdFeO3样品介电常数随温度变化的曲线,在50K-125K范围内出现了峰值。 ***的掺杂降低了Nd1-xCaxFeO3基气敏元件的电阻,改善了其气敏特性。其中Nd0.9Ca0.1FeO3基气敏元件对酒精和丙酮气体的响应性最好。对600ppm酒精,在最佳工作温度220℃时响应值达到158.4;对600ppm丙酮,在最佳工作温度240℃时响应值达到61.7。