正交钙钛矿LuFeO3的掺杂改性和多铁性研究

As a member of orthorhombic rare earth ferrites with high Curie temperature, LuFeO3 has attracted extensive attention because of its largest magnetocrystalline anisotropy and antisymmetric spin coupling. More recently, the discovery of room temperature ferroelectricity of orthorhombic LuFeO3 confirms its multiferroics. However, leakage problem and low ferroelectric saturated polarization make the further study of magnetoelectric effect and application in devices very difficult. In this research project, a solution by B site doping of aliovalent transition metal in LuFeO3 crystal and A site of doping of magnetic rare earth ions by using conventional solid state reaction is proposed to decrease leakage and enhance its ferroelectricity. The effect on the leakage mechanism, ferroelectricity and magnetic properties of the B site doped aliovalent transition metal and A site magnetic rare earth ill be carefully investigated. The mechanism of variation of leakage by doping aliovalent transition metal and change of ferroelectricity will be explained. The intrinsic relation of modulation of electronic transport, ferroelectricity, magnetic spin structure and magnetoelectric interaction mechanism by A and B site codoped ions will be clarified. This research project will provide useful reference to improve multiferroic properties of the magnetic multiferroics.

作为高奈尔温度正交稀土铁氧化物新体系的一员，LuFeO3因较大的磁晶各向异性和反对称耦合引起人们的广泛关注。最近，正交LuFeO3室温铁电性的发现更加确定了其多铁性。然而漏电的存在和极低铁电极化率增加了磁电耦合效应研究和器件应用的困难。本项目拟采用固相烧结法对LuFeO3分别进行B位异价态过渡金属和A位磁性稀土离子掺杂，解决LuFeO3漏电大和铁电极化率低的问题。通过本项目的研究，探明异价态过渡金属B位和磁性稀土离子A位掺杂分别对正交结构LuFeO3的漏电、铁电性和磁学特性的影响规律；解释异价态过渡金属掺入后漏电的变化机制和磁性稀土离子掺入后对铁电极化的影响；阐明A位和B位共掺对正交结构LuFeO3的电子输运、铁电极化、磁结构和磁电耦合机制影响的内在物理机制。本项目研究将为磁致多铁性材料性能的改善和提高提供借鉴和参考。

本项目主要研究对正交结构LuFeO3进行掺杂改性进行多铁性研究，基本完成预定目标。项目执行期间三位参与人获得职务晋升。该基金支持下已发表SCI论文4篇，申请专利2项。项目在研期间，培养的两名本科生获得国家大学生创新基金项目。. 具体研究内容如下：作为高奈尔温度正交稀土铁氧化物新体系的一员，LuFeO3因较大的磁晶各向异性和反对称耦合引起人们的广泛关注。最近，正交LuFeO3室温铁电性的发现更加确定了其多铁性。然而漏电的存在和极低铁电极化率增加了磁电耦合效应研究和器件应用的困难。本项目发展了一种机械化学激活辅助固相烧结方法制备LuFeO3及其掺杂陶瓷，该方法相对目前普遍采用的传统固相烧结法烧结所需温度低、保温时间短，所制备陶瓷密度高、氧空位少，从而电阻高漏电低。我们利用此种方法所制备的样品电阻率达到传统方法所制备样品的6倍，并成功观测到了LuFeO3本征电滞回线。这种方法成功解决稀土铁氧化物中存在较为普遍的由氧空位引起的漏电问题，为研究该类多铁性材料的本征铁电性提供便利，该制备方法已申请专利，相关文章也正在审稿中。我们采用此法顺利进行了B位异价态和A位稀土离子掺杂，成功观察到B位异价态掺杂能够提高其铁电极化，但也表现出漏电特征。A位稀土Dy3+离子低温下能够与B位倾斜反铁磁子晶格产生的弱铁磁进行相互作用，增强了交换偏置效应。另外我们也进行了一些拓展研究：对稀土双钙钛矿铁铬正交氧化物YFe0.5Cr0.5O3进行了Ho掺杂研究，发现Ho掺杂有利于提高YFe0.5Cr0.5O3的磁矩和交换偏置效应对磁场的灵敏度，显示了该材料在电场和磁场双重探测传感器件方面的潜在应用前景。