三价稀土离子掺杂量子顺电体SrTiO3的磁电效应研究

近年来，具有磁电效应的多铁材料正在逐步成为凝聚态物理和材料科学的研究前沿和热点领域，其中寻找新的铁电性与磁性之间的耦合调控机制成为了多铁材料研究中的一个重要方向。本项目将主要研究同时存在铁电/顺电，铁磁/顺磁（反铁磁）相转变的、三价稀土离子掺杂量子顺电体SrTiO3陶瓷和薄膜材料的制备技术；研究如何调控这两类相变的临界温度，实现掺杂后量子顺电体中磁电效应大幅度增强的可能性和途径；实验研究与第一原理计算等理论工作相结合，从电子电荷，轨道和自旋自由度的相互作用，研究掺杂后量子顺电体系的微结构构型对电学、磁学性质和磁电效应的作用及相应的物理机制。这项研究对于探索新的、具有强磁电耦合效应的多铁材料有重要的基础意义，对于磁电调控的新一代电子器件的研制和应用也有重要的价值。

本项目首先采用酒石酸作为溶胶—凝胶法中的螯合剂，通过控制酒石酸与金属离子的摩尔比，成功制备了纯相SrTiO3陶瓷和薄膜，并对材料的微结构、介电等性质进行了研究。在此基础上，开展了稀土元素Gd3+掺杂SrTiO3陶瓷样品低温介电弛豫性质的研究工作。研究了掺杂浓度与材料微结构和介电弛豫性质的关联度，指出掺杂样品中的低温介电弛豫行为不仅和Ti4+离子热激发有关，还与氧空位相关。为了探索三价稀土离子掺杂SrTiO3材料的磁电耦合效应，我们分别运用平均场理论以及线性响应模型拟合了Eu3+掺杂SrTiO3陶瓷的低温介电与磁性质，实验与拟合结果符合的很好。我们的研究结果表明，极低的Eu掺杂浓度将有助于SrTiO3陶瓷中极化态的形成，而高Eu掺杂浓度则对SrTiO3量子顺电性有一定的抑制作用，掺杂体系的低温顺磁性则与作用在Eu离子的分子场有关。此外，我们还指出不同电荷补偿机制对稀土元素Ho3+掺杂SrTiO3薄膜的介电、光电转换性能起着至关重要的作用，提出了实现SrTiO3材料光电转换性能增强的新思路。与此同时，我们也开展了单相多铁性材料BiFeO3的相关研究工作，通过引入氧空位、稀土元素掺杂以及寄生相等多种手段，实现了BiFeO3纳米颗粒的室温磁性以及可见光催化性能的增强。总体上本项目基本上按计划进行，同时也根据国际上研究的动态和发展状况，做了适当的调整，取得了一系列有特色的成果。三年来，共完成SCI 论文16 篇，其中包括《Journal of Materials Chemistry》1篇，《Applied Physics Letters》1篇，《The Journal of Physical Chemistry C》1篇, 《Journal of Applied Physics》4篇。研究成果在3次国际会议上交流3人次，在4次国内会议上交流3人次。在项目执行期间，先后共有5位研究生参加了该项目的研究，其中已毕业博士1名（协助指导），已毕业硕士3名（协助指导1名），另有1名硕士研究生即将在2013年6月参加毕业答辩。