室温多铁性材料的合成、物性及结构研究

利用固态烧结法合成过渡金属Mn,Fe,Co,Ni掺杂的BaTiO3，LiNbO3和LiTaO3多铁性化合物，系统研究多铁性化合物的晶体结构和电子结构，磁性、介电和铁电性，并深入研究其磁电耦合效应及相关的有序行为，如铁磁有序，铁电有序，氧空位有序及离子有序等。采用X－ray衍射研究多铁材料在不同温度下的晶体结构；结合电镜的变温样品台及电子衍射、会聚束电子衍射和高分辨电子显微技术研究多铁性化合物的微结构，利用电子能量损失谱研究多铁性化合物的电子结构。弄清晶体结构和电子结构与磁性、铁电性和磁电效应之间的密切关联，提供磁电共存与磁电耦合的物理机制，为开发具有优异性能的室温多铁性材料奠定基础。

多铁性材料因其具有广阔的应用前景而受到人们的普遍关注。然而，对单相多铁性材料来说，面临着一些致命性问题：磁有序转变温度低导致磁电耦合的温度低；存在严重的漏电流；磁电耦合强度低；调控电极化强度的磁场强度比较高，并且可以直接用电场对磁化强度进行调控的材料非常少，等等。因此，寻找室温多铁性材料具有重要的意义。我们对传统典型的铁电体BaTiO3，LiTaO3和LiNbO3进行了磁性离子的掺杂研究。研究表明通过磁性离子的掺杂导致了这三种铁电体在室温都具有弱的铁磁性，在这三种材料中实现了室温多铁性，并在Ba(Ti0.9Fe0.1)O3-d中观察到了磁电耦合效应。对不同掺杂量样品的微结构研究发现样品具有调制结构和反相畴界等结构特点，室温多铁性来自有序的氧空位，极化子和反相畴界，磁电耦合效应来自自陷于有序极化子中的电子对磁场和电场的响应。这些研究不仅丰富了人们对于极化子和反相畴界等其自身本质的认识，同时也为寻找性能优良的室温多铁性材料奠定了基础。铁性材料的磁化或极化过程的动力学行为很大程度上受到拓扑缺陷类型和运动的影响。最近在六方RMnO3体系中发现了一种三叶草状的拓扑缺陷，由六条铁电-平移-反铁磁畴壁汇聚在一点组成，称为多铁畴涡旋。但对其铁电畴壁和平移畴壁的耦合以及多铁畴涡旋的认识仅限于理论猜测和初步表征。我们首次在实验上从原子级别上直接观察到多铁畴涡旋，并证实了铁电畴和平移畴的耦合和铁电平移畴的有序排列，讨论了我们搭建的结构与别人提出的结构之间的异同。首次在实验上直接观察到四态畴涡旋和闭合畴壁，发现不全刃型位错总是伴随在涡旋核心或闭合畴壁上。提出了该类型的不全刃型位错可以导致偶数态畴涡旋的预言。这些结果拓展了我们对于不全刃型位错在改变与平移相关的畴拓扑性作用上的理解，可能为控制多铁畴畴结构和调控磁电耦合开辟一条新的途径。利用电子束作为手段，研究了六方RMnO3在电子束辐照下的结构演化。结果表明，该体系在电子束辐照下容易丢失氧原子，产生有序的氧空位，形成多种类型的调制结构。氧空位可以发生从顶角氧空位有序到平面氧空位有序，不同辐照强度对应不同浓度的氧空位，且不同类型的调制结构间可发生可逆转变，表明该体系中氧原子具有极高的移动性。研究表明弱的Y-O成键有利于铁电性的存在。总之，我们的研究为寻找性能优异的多铁性材料及弄清磁电耦合机制提供了重要的实验依据。