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新型氧化物陶瓷的高压合成与电学、磁学性质研究

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新型氧化物陶瓷的高压合成与电学、磁学性质研究

作者：冯一恒云南大学

学位级别：硕士

作为一种新颖的极端条件材料制备方法,高压合成有着很多常压合成无可比拟的优点,在新材料和新物性的开发探究方面具有独特的作用。目前对于物质的研究大多局限于常规压力下,而一些只有在高温高压下才能产生的晶体结构、化学反应和特殊... 详细信息

作为一种新颖的极端条件材料制备方法,高压合成有着很多常压合成无可比拟的优点,在新材料和新物性的开发探究方面具有独特的作用。目前对于物质的研究大多局限于常规压力下,而一些只有在高温高压下才能产生的晶体结构、化学反应和特殊性能等情况的研究相对较少。四钙钛矿氧化物因其结构和交换作用的复杂性而表现出新颖有趣的电学和磁学性质,如晶间电荷转移、超高居里温度、半金属性、室温巨介电等,但该结构中八面体的严重倾斜使其通常无法在常压条件下合成,利用高压合成新的四钙钛矿结构氧化物并探究其可能存在的新奇物理现象能极大地丰富新材料和新物性的研究。另一方面,很多氧化物在常压合成条件下能够获得特定的晶相却不能形成致密的陶瓷样品,导致一些物理性质未能准确测量或获得。针对上述两方面,本论文利用高温高压在物质合成方面的独特作用和优势,成功制备了两种新型四钙钛矿CaCu3Cr2Ta2O12、CaCu3Cr2Nb2O12材料以及高致密度CuSb206陶瓷样品。利用X射线衍射(XRD)、键价和计算(BVS)、X射线光电子能谱(XPS)以及综合物性测量系统(PPMS)等综合技术手段进行了结构表征和磁学、介电、电输运性质测试分析,建立合成-结构-性质之间的关系。本论文主要研究内容和结果如下:(1)通过高温高压方法首次合成了 A位有序、B位部分有序的立方Pn(?)型四重钙钛矿氧化物CaCu3Cr2Ta2O12,样品中的Cu元素存在Cu+、Cu2+和Cu3+三种价态,Cr和Ta元素分别以+3和+5价存在。通过磁性测量,结合磁化率曲线、逆磁化率曲线和等温磁化曲线等数据共同确定了 CaCu3Cr2Ta2O12具有接近室温的Tc(281 K),在磁转变温度以下表现出亚铁磁性;少部分Cu的变价导致顺磁有效磁矩(5.52μB/f.u.)和5K时的饱和磁矩(2.15μB/f.u.)都小于理论值,有效磁矩的明显减小还可能与B位离子的部分无序排列和自旋倾斜有关。高温高压合成的样品成瓷性较好,变温电阻率测试表明CaCu3Cr2Ta2O12为绝缘体;陶瓷样品在高频和低温下的本征介电常数约为15,损耗约为0.03,介电常数随着温度的升高而呈现数量级的上升并在室温达到了 103以上。(2)利用高温高压条件制备了一种新的Im(?)型A位有序、B位无序四钙钛矿结构氧化物陶瓷CaCu3Cr2Nb2O12,其B06八面体的倾斜程度小于CaCu3Cr2Ta2012。XPS测试确定了 Cu元素以Cu+/Cu2+/Cu3+混合价态存在,Cr和Nb元素分别为+3和+5价。磁性测量分析表明CaCu3Cr2Nb2O12在TC=291 K处经历了一个顺磁到亚铁磁的转变,磁转变温度比CaCu3Cr2Ta2012更接近室温;顺磁有效磁矩(5.59μB/f.u.)和饱和磁矩(2.03μB/f.u.)相对理论值的减小同样归因于Cu2+的减少和B位离子的无序排列。通过高温高压合成的CaCu3Cr2Nb2012陶瓷样品晶粒分布均匀且致密,变温电阻率曲线表现出明显的绝缘体行为。介电温谱表明陶瓷的本征介电常数约为30,介电常数随着温度的升高而呈现数量级的增加并在室温达到了 104,表现出频率依赖的巨介电行为;损耗因子中观察到的低温介电弛豫RXL与极化子有关,高温区出现的介电弛豫RXH归因于晶界效应。用Nb元素替换Ta后,四钙钛矿结构的B位有序消失,磁有序温度TC和介电常数升高。(3)利用高压能增强物质致密性和缩短原子间距的特点,在6 GPa、1273 K条件下合成了三金红石P21/n型单斜CuSb206相的陶瓷样品,常压下难以成瓷的样品经过高温高压处理后非常致密。BVS计算和XPS测试证明样品中元素电荷态组成与预期的Cu2+Sb5+206一致。CuSb206在室温下的电阻率高达108 Ω·cm,电阻率随温度的变化表现出明显的绝缘体行为。低温载流子冻结效应使得单斜CuSb206陶瓷的介电常数和损耗在2-170 K的温度范围内保持良好的频率和温度稳定性,低温和高频下的本征介电常数约为850,损耗约为0.01;载流子的热激活过程使得介电常数和损耗值随着温度的升高而增大,介电常数在室温下达到103以上。

关键词：高压合成氧化物陶瓷四钙钛矿磁学性质电学性质

氧化铟及其Mo掺杂半导体的光学和磁学性质研究

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氧化铟及其Mo掺杂半导体的光学和磁学性质研究

作者：陈静静西安理工大学

学位级别：硕士

In2O3因其所具有的良好光学和电学性能而被广泛应用。近年来,有研究表明高温真空退火后非掺杂的In2O3薄膜及较高衬底温度下制备的掺钼In2O3(IMO)薄膜均表现出室温铁磁性,In2O3基半导体有关室温铁磁性研究的报道使兼具半导体性质和磁学... 详细信息

In2O3因其所具有的良好光学和电学性能而被广泛应用。近年来,有研究表明高温真空退火后非掺杂的In2O3薄膜及较高衬底温度下制备的掺钼In2O3(IMO)薄膜均表现出室温铁磁性,In2O3基半导体有关室温铁磁性研究的报道使兼具半导体性质和磁学性质的In2O3材料再次引发了研究者的极大关注,特别是对其磁性的起源仍存在着很大争议。此外,关于含本征缺陷体系的光学性质未见较为系统的计算分析。本文以第一性原理计算为主,辅之以实验,对In2O3和IMO的光学和磁学性质进行了研究。首先通过第一性原理计算含本征点缺陷In2O3和不同掺杂浓度IMO的光学性质。计算结果表明:在In2O3体系中引入不同点缺陷,除含Oi体系外,存在Vo、VIn和Ini缺陷的体系在可见光能量范围内均出现了不同强度的新吸收峰,说明本征缺陷将影响In2O3的可见光透明度;与未掺杂In2O3相比,掺杂Mo之后在低能区产生新的吸收峰,光学吸收边红移。其次,采用磁控溅射法在不同氩氧气体组分下沉积In2O3薄膜,光学带隙随氧气含量增加先减小后增大,在An:O2=5:2时带隙最小为3.847eV;将沉积的薄膜在空气中退火,随退火温度升高,氧空位减少,带隙由3.802eV减小到3.645eV。测试结果表明,制备条件将影响沉积样品中缺陷进而影响薄膜的光学性能,这与理论计算结果吻合。采用磁控共溅射法制备不同掺杂浓度的IMO薄膜,掺杂引入自由载流子,载流子浓度增加,与未掺杂相比带隙增大。然后,利用VASP计算了不同电荷态本征缺陷对In2O3电子结构和磁性的影响。计算结果表明:VO+、VIn0、VIn1-、VIN2-、Oi和VIn+Vo缺陷都可引入自发极化磁矩。进一步磁耦合研究表明,非掺杂In2O3的铁磁性可能来源于VIn1-、VIn2-、Oi和VIn+Vo复合缺陷。最后,计算了 IMO体系的磁性及中性本征缺陷和应变对磁性的影响。随掺杂浓度增加,体系磁性增强;掺杂Mo原子相对距离增大,磁化能从56.9meV减小到6.21meV,体系均表现为铁磁基态,说明IMO体系趋于最近邻铁磁耦合;最近邻位置构型分别引入Vo、Oi、VIn和 Ini,磁化能分别为 107.29meV、2.21meV、0.24meV 和-703.72meV,除含Ini体系转变为反铁磁基态外其他仍表现为铁磁耦合,说明不同本征缺陷对掺杂磁性有调控作用;对体系施加6%拉应变时磁矩突变为0μB,应变可以调制IMO体系磁性;IMO体系磁性主要来源于掺杂Mo原子与近邻O原子的杂化。

关键词： In2O3 室温铁磁性 IMO 第一性原理光学性质磁学性质

伊朗与巴基斯坦不同沉积环境下的黄土磁学性质及其环境意义

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伊朗与巴基斯坦不同沉积环境下的黄土磁学性质及其环境意义

作者：连悦辰福建师范大学

学位级别：硕士

黄土广泛分布于地球表面,是记录古气候的良好档案。黄土地层磁化率作为古气候的代用指标,中国黄土高原黄土-古土壤序列的磁化率的曲线被广泛用来与深海沉积物氧同位素曲线进行比对,记录着地质时期发生的气候变化。磁化率是物理参数,本... 详细信息

黄土广泛分布于地球表面,是记录古气候的良好档案。黄土地层磁化率作为古气候的代用指标,中国黄土高原黄土-古土壤序列的磁化率的曲线被广泛用来与深海沉积物氧同位素曲线进行比对,记录着地质时期发生的气候变化。磁化率是物理参数,本质上与气候无关,它只与磁性矿物种类,含量及其颗粒大小有关。黄土地层磁化率之所以能够记录古气候是因为风积黄土物质相似,沉积后在地表成土过程是否发生变化、怎么变化以及向什么方向或向什么矿物变化,则受当地气候条件控制,影响到沉积物中磁性矿物形成,保存或者改造,使得原生磁性矿物的磁化率发生变化。据研究黄土磁化率与古气候存在多种关系,如在半干旱的中国黄土高原中部磁化率与古气候降雨强弱呈正相关关系;而在极端干旱以物理风化为主的沙漠黄土和湿度高降雨/雪量高的阿拉斯加和西伯利亚则呈负相关。此外,如果干湿度在这三种关系之间转换过渡地带摆动,那么磁化率与古气候/成土强度就没有明确的关系。因此将一个黄土剖面的磁化率作为古气候代用指标前,需要对该研究区气候条件有个宏观了解。本研究以两河流域下游伊朗地区三个剖面（P、P、SH）以及巴基斯坦Attock剖面为研究对象,通过系统的环境磁学、粒度分析、地球化学实验,探讨干旱半干旱气候背景下,伊朗西部两河流域地区以及巴基斯坦Attock盆地不同沉积环境下黄土的磁学性质及其环境意义。通过研究获得以下认识:1)伊朗西部的三个剖面（SH、P以及P,P和P剖面是同一条河相邻两岸黄土剖面）均具有较低的磁化率,SH剖面地势较高,磁化率稍高,而P和P剖面磁化率均较小,可能与低地势和频繁干湿交替有关;巴基斯坦Attock（ATT）剖面是伊斯兰堡附近的山地黄土,磁化率高于伊朗西部的剖面,低于我国黄土高原地区以及临近中亚地区,通过与上地壳组分（upper continental crust,UCC）平均值化学性质的对比,结合化学风化强度的研究结果,表明各剖面原生磁性矿物总体含量较少;各剖面的软磁性矿物占比相对高,硬磁性矿物含量较少,且均含有一定数量的顺磁性矿物;SH剖面的黄土层含有磁铁矿及热不稳定的磁赤铁矿,针铁矿赤铁矿,古土壤层含有磁赤铁矿和赤铁矿、针铁矿而不含磁铁矿,针铁矿含量比黄土层高;P剖面含有硬磁性矿物赤铁矿和针铁矿以及较多的顺磁性矿物,不含磁铁矿;P剖面与P剖面黄土相似,含有大量的顺磁性矿物,缺乏磁铁矿,含有硬磁性矿物针铁矿和赤铁矿,灰白色层针铁矿含量更高。ATT剖面的黄土层含有磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿及针铁矿,而古土壤层含有磁赤铁矿、针铁矿和赤铁矿,不含磁铁矿,可能说明长期干湿交替环境使得磁铁矿无法稳定保存。2)元素比值K/Na、风化指数Wi、流失系数Lc、残积系数Ki、SiO/（FeO+AlO）以及NaO/AlO和KO/AlO模式图结果均显示:P、P剖面受到化学风化作用微弱,且不同样品间化学风化程度差异小;SH剖面受到的化学风化程度整体略高于P、P剖面,古土壤层高于黄土层;ATT剖面大部分样品经历了接近中等强度的化学风化作用,不同样品经历的化学风化强度差异大,部分同一地层样品的化学风化强度具有较大变异性,可能指示该层位沉积时期经历过多次次级气候波动。3)在干旱半干旱气候背景下,降水量和沉积环境对黄土中磁性矿物改造及变化机制都具有重大影响,长期水动力和干湿交替的沉积环境通过长时间的水作用能够大幅度的改变磁性矿物的含量及组成,短期且强度较弱的水动力和干湿交替环境能够使一些在干旱半干旱环境下形成和保存的磁性矿物发生溶解和转化,原生形成过程中频繁的干湿交替和河流冲刷环境甚至能够溶解并带走沉积物中的Fe元素,正如P剖面灰白色层位的情形;而降水量更多的是通过改变沉积环境的有效湿度,进而影响化学风化和成土过程,这个过程与温度具有很大的关联。

关键词：黄土沉积环境磁学性质环境磁学地球化学磁化率变化机制

W—型六方Ba—Za—Al—La铁氧体的磁学性质

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现代科技译丛（大连） 1990年第4期 59-64页

作者： Yama.,H 张密林

团簇Co_xFe_yB_2的结构特点与磁学性质的密度泛函数理论研究

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化学世界 2017年第2期58卷 101-107页

作者：刘继鹏方志刚赵振宁孙冠男张成刚王茂鑫辽宁科技大学化学工程学院辽宁鞍山114051

为了深入了解非晶态合金Co-Fe-B的结构特点以及磁学性质,利用密度泛函数理论(DFT)方法,在B3LYP/Lan12dz水平下,对团簇Co_2FeB_2和CoFe_2B_2的十余种可能存在的构型在不同重态下进行全参数优化计算和频率验证,共得到17种不同构型,分别是... 详细信息

为了深入了解非晶态合金Co-Fe-B的结构特点以及磁学性质,利用密度泛函数理论(DFT)方法,在B3LYP/Lan12dz水平下,对团簇Co_2FeB_2和CoFe_2B_2的十余种可能存在的构型在不同重态下进行全参数优化计算和频率验证,共得到17种不同构型,分别是三角双锥型、戴"帽"三角锥型、四方锥型以及平面型。对这些稳定构型的结构特点以及磁学性质进行研究分析,结果表明:团簇CoFe_2B_2比团簇Co_2FeB_2更具有结构多样性,而且各化学键的配置更加均匀、合理;在两团簇各构型中,二、三、四重态下的Co原子的磁矩非常接近,Fe原子的磁矩也是如此,且Co和Fe原子对磁性的贡献均较高;单重态下的Co和Fe原子对磁性的贡献较低;Fe原子对磁性的贡献大于Co原子的。

关键词：非晶态合金 CoxFeyB2 结构特点磁学性质

Laves相稀土-过渡族金属间化合物Tb_(1-x)Dy_(x)Co_(1.95)的磁学性质及相变研究

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聊城大学学报（自然科学版） 2024年第1期37卷 29-35页

作者：曹康戴志勇张睿升姚康康郭远军周超杨森西安交通大学物理学院陕西西安710049

主要研究了Tb_(1-x)Dy_(x)Co_(1.95)稀土-过渡族金属间化合物体系的磁学性质及相变性质。利用X射线衍射表征物相,利用磁学测量系统对材料的磁学性能及磁性相变的种类和温度进行测定,利用热机械分析仪(TMA)测试得到了材料的热膨胀曲线。... 详细信息

主要研究了Tb_(1-x)Dy_(x)Co_(1.95)稀土-过渡族金属间化合物体系的磁学性质及相变性质。利用X射线衍射表征物相,利用磁学测量系统对材料的磁学性能及磁性相变的种类和温度进行测定,利用热机械分析仪(TMA)测试得到了材料的热膨胀曲线。结果表明:随着体系中Dy元素含量的增加,材料的晶格常数和居里温度均呈现降低趋势。Tb_(1-x)Dy_(x)Co_(1.95)体系在测试温度范围内发生了一级的铁磁相变,这弥补了相关领域的研究空白。除此之外,Tb1-xDyxCo1.95体系在发生磁性相变时的能量变化补偿了正常热胀冷缩,导致Tb_(1-x)Dy_(x)Co_(1.95)体系在一定温度范围内存在较小的热膨胀效应。

关键词： Laves相稀土-过渡族金属间化合物磁学性质相变

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失水对海洋沉积物磁学性质的影响

热带地理 2016年第3期36卷 438-447页

作者：李明坤欧阳婷萍田成静朱照宇唐志华彭学超邱燕钟和贤中国科学院广州地球化学研究所边缘海地质重点实验室广州510640 中国科学院大学北京100049 广州海洋地质周查局广州510075

为了探究沉积物的干燥过程及方式对其磁学性质的影响,选取含水率高的南海沉积物样品,对其中685个样品在自然条件下逐步晾干,并每间隔40 d测量1次低频磁化率(κlf)、高频磁化率(κhf)、饱和等温剩磁(SIRM)、S-300和频率磁化率系数(κfd)... 详细信息

为了探究沉积物的干燥过程及方式对其磁学性质的影响,选取含水率高的南海沉积物样品,对其中685个样品在自然条件下逐步晾干,并每间隔40 d测量1次低频磁化率(κlf)、高频磁化率(κhf)、饱和等温剩磁(SIRM)、S-300和频率磁化率系数(κfd),共测量5次;对另外60个样品进行冷冻干燥,并在干燥前后测量相同的磁学参数。结果表明:1)自然晾干过程中,除少数异常点(约7%)外,大多数样品的κlf和κhf呈减小趋势,少数样品呈增大趋势,S-300和κfd均呈减小趋势,SIRM先减后增,整体上呈增大趋势;2)冷冻干燥过程中,样品的κlf、κhf、S-300和κfd呈增大趋势,S_(IRM)呈减小趋势;3)2种干燥方法均不影响κlf、κhf、SIRM和S-300的剖面变化趋势,但对κfd的影响较大,这在磁学指标的古环境研究中具有关键的指示意义。磁学参数的变化,可能是由于失水过程发生的微弱氧化作用、失水导致水的抗磁性"负贡献"降低、细粒磁铁矿和磁赤铁矿在湿润状态下转变成顺磁性和不完全反铁磁性等综合因素造成的。建议对同一批次的样品采取相同的干燥方法。

关键词：海洋沉积物失水磁学性质自然晾干冷冻干燥

氧桥联席夫碱GdCo双核配合物磁学性质理论研究

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广东化工 2017年第7期44卷 130-132页

作者：曹景阳孙小媛罗树常刘会月贵州工程应用技术学院化学工程学院贵州毕节551700 贵州工程应用技术学院化学化工实验教学示范中心贵州毕节551700

采用DFT-BS方法,以氧桥联GdCo希夫碱双核配合物为研究对象,采用B3LYP泛函在混合基组(Gd/SARC-TZV、Co/TZV、其他SVP)下,选择DHK2相对论效应,数值积分精度使用4.0,计算所得结果与实验测量值最吻合。Mulliken自旋密度分析和分子磁轨道分... 详细信息

采用DFT-BS方法,以氧桥联GdCo希夫碱双核配合物为研究对象,采用B3LYP泛函在混合基组(Gd/SARC-TZV、Co/TZV、其他SVP)下,选择DHK2相对论效应,数值积分精度使用4.0,计算所得结果与实验测量值最吻合。Mulliken自旋密度分析和分子磁轨道分析显示,磁中心Gd(Ⅲ)主要是自旋极化作用,Co(Ⅱ)主要是自旋离域作用。磁中心间的耦合作用通过氧桥(即Gd1-O_3-Co2和Gd1-O_4-Co2)的超交换作用实现,磁中心间有较强的轨道相互作用,磁轨道主要是由Gd的4^(f_(z^2x))轨道、Co的3^(d_(x^2-y^2))轨道和桥O原子的2p_z轨道组成。

关键词：磁学性质 DFT-BS 双核Gd Co配合物磁耦合常数

三维Ising反铁磁-反铁磁超晶格的磁学性质

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解放军理工大学学报（自然科学版） 2002年第1期3卷 100-102页

作者：刘卫杨继华解放军理工大学理学院江苏南京211101

提出了用相关有效场理论来处理三维伊辛 (Ising)反铁磁 -反铁磁超晶格的磁性 ,研究了在无外场时AFAFS的临界温度与超晶格结构之间的关系。发现在超晶格元胞层数较少时 ,交换积分对临界温度起相当大的作用 ,且临界温度与关联参数有关 ,当... 详细信息

提出了用相关有效场理论来处理三维伊辛 (Ising)反铁磁 -反铁磁超晶格的磁性 ,研究了在无外场时AFAFS的临界温度与超晶格结构之间的关系。发现在超晶格元胞层数较少时 ,交换积分对临界温度起相当大的作用 ,且临界温度与关联参数有关 ,当 Ja=Jb=Js时。

关键词：伊辛模型有效场三维反铁磁-反铁磁超晶格磁学性质