不同尺寸稀土铬氧化物颗粒的磁性研究

作     者：张城城 

作者单位：湖北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王瑞龙

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：稀土铬氧化物 烧结温度 负磁化 交换偏置 自旋重取向 

摘      要：近年来,钙钛矿稀土铬氧化物由于其丰富的物理性质和磁现象,如负磁化、交换偏置、自旋重取向,受到学者的广泛关注。究其本质是材料本身存在着诸如超交换、双交换等多种电磁耦合作用。而键长、键角以及价态等因素决定了耦合作用的强弱,因此人们对ABO的研究大多集中在A、B位的掺杂。事实上,材料的制作工艺也是影响键长、键角、晶格结构的重要因素。本文中我们通过改变烧结温度制备了不同尺寸的稀土铬氧化物颗粒Tm Cr O和Gd Cr O,并对其内部微观结构(晶体结构、磁结构)进行深入研究,并发现了烧结温度对负磁化、交换偏置产生影响的机制。主要内容包括:一、研究了用溶胶-凝胶法在不同烧结温度(700℃、900℃、1100℃、1300℃)下制备出的Tm Cr O陶瓷样品颗粒的晶体结构及各项磁性能。对各个样品进行XRD测试,数据经过软件(Highscore)对比后显示制备的样品成相良好,不存在杂相。SEM图像显示随烧结温度的增加样品颗粒尺寸不断增大,颗粒尺寸增大的同时样品晶格结构中的氧空位(缺陷)也相应减少,由此所带来的一系列诸如特征温度的改变、各项磁性能的变化等现象都得到了很好地解释。一方面,材料颗粒尺寸的增大会导致氧空位减少,继而导致晶格收缩、Cr-O-Cr键角减小,键角的减小使铬离子间的倾斜反铁磁效应(铁磁性)增强。另一方面,氧空位的减少也会导致Cr-O-Cr组分增多,而Cr-O-Cr数目的增加又会稀释键角减小所带来的倾斜反铁磁效应的增强。这两方面所带来的影响相互竞争,最终导致所有样品的奈尔温度(T)基本不变。再者,从M-T曲线不难看出负磁化现象的出现也是铬离子磁矩和稀土离子磁矩相互竞争的结果。两磁矩之间存在内场作用H使得Cr磁矩和Tm磁矩呈反铁磁排列,T和T的出现都与之有着密切关联。当Cr-O-Cr键角的减小时,增强了弱铁磁性,提高了Cr磁矩和Tm磁矩的内场H大小,同时T、T随之逐渐降低。磁滞回线测量表明,11K时样品存在正向交换偏置效应,对应700℃、900℃、1100℃、1300℃烧结样品,交换偏置场分别为469.5 Oe、835.2 Oe、1211.8 Oe、1371.8 Oe。由此可见,烧结温度的增加会使得交换偏置效应得到增强。二、研究了利用溶胶-凝胶法在不同烧结温度(700℃、900℃、1100℃、1300℃)下制备的Gd Cr O颗粒样品的结构及磁性。与Tm Cr O相同,从M-T图中可以看到该样品表现出明显的自旋重取向、负磁化现象,也可以看出该样品从顺磁到铁磁、反铁磁的相变。XRD数据表明所制备的样品并无杂项,符合预期的ABO结构。精修过后的各项数据显示,晶胞体积、键长、键角随烧结温度的不断上升均有不同程度的减小。SEM图像结果表明随着烧结温度的升高材料颗粒尺寸逐渐增大。颗粒尺寸增大使得氧空位、晶胞体积减小,导致Cr-O-Cr键角减小,从而增强了Cr之间的弱铁磁耦合强度。其次,其长程有序性的加强会增强Cr之间的反铁磁耦合强度。二者的竞争关系带来了两方面的影响:1、特征温度T、T、T的变化。首先T在二者的竞争关系中有轻微的增加,而T和T存在逐渐降低的趋势。2、磁性能的改变,如交换偏置场、矫顽力、自旋重取向等。随着颗粒尺寸的增大,磁滞回线(18 K左右)表明该样品的H分别为125.8 Oe、266.1 Oe、320.3 Oe、345.7 Oe。期间,我们还对温度变化与交换偏置场的依赖性做了进一步探究。