GdMnO3多铁性研究以及Tm掺杂行为

• 作 者: 李林
• 机 构: 华南师范大学
• 出 处: 华南师范大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 多铁性 GdMnO3材料 磁学性质 掺杂行为 铥元素

多铁性材料是指同时具有两种或两种以上基本铁性(包括铁电、铁磁或者反铁磁以及铁弹性)的材料。其最显著的特征是磁场调控铁电极化，或者铁电极化调控磁性。强的磁电耦合效应为磁电多功能器件设计提供了新的前景，早在上世纪五、六十年代，一些著名的科学家就开始研究锰氧化合物磁电耦合材料。到2003年，Kimura和Tokura等学者通过研究非共线螺旋自旋序系统，发现其铁电性与磁性在量子范畴内内禀共存，具有较强的磁电耦合效应，这意味着铁电序与铁磁序间的相互调控成为可能。另一方面，由于材料制备合成技术大大提高，高质量单晶、外延膜合成使人们对磁性和铁电性的理解、认识得到较大提高，同时产生了Dzyaloshinskii-Moriya(DM)和自旋流等微观理论，这使得多铁性的物理起源与多铁性材料应用成为科学界的研究热点之一。　　钙钛矿ABO3结构的稀土锰氧化合物(ReMnO3)多铁材料具有丰富的相图，相互之间存在多种竞争与耦合，这些特性使得具有ReMnO3结构的多铁材料一直被科学家广泛研究。当A位离子半径大于Gd离子半径时，低温下表现为A型反铁磁序(A-AFM)，其半径小于Y离子半径时表现为E型反铁磁序(E-AFM)，处于两者之间为非共线螺旋自旋序。GdMnO3(简称GMO，下同)为A型反铁磁序，且非常靠近螺旋自旋序，但对其铁电极化性质的研究的报道很少，而且已有的研究结果表明磁基态的GdMnO3没有铁电极化或者铁电极化很弱，相关相图也没有未明确指出其磁基态是A-AFM还是螺旋自旋序(SSO)。因此，本论文研究了GdMnO3的多铁性能以及Tm掺杂对SSO的调制。　　本论文介绍了多铁性材料的定义、微观机制、制作方法以及研究现状，并详细介绍实验测量原理、测试方法、测试环境以及相关注意事项。主要做了两方面工作，具体如下：　　第一部分，研究了GdMnO3的多铁性。结果表明：　　一、GMO具有较大的铁电极化。可能是由于GMO多晶样品在A-AFM与SSO相边界处，含有少量“杂质”，引起了在相边界发生相分离，产生较大铁电极化；GMO多晶样品氧缺陷使得Mn离子的自旋倾向于螺旋自旋序，从而产生铁电极化。　　二、外加磁场抑制Mn离子的A-AFM，使其向SSO跃迁，极化增大，居里温度升高；当温度小于Gd离子的自旋有序温度时，由于外场作用下破坏了Gd的磁有序和削弱了Gd-Mn相互作用，使铁电极化减小，所以外加磁场在Gd离子磁有序温度下抑制了铁电极化。　　第二部分，通过Tm掺杂GdMnO3调制A位平均离子半径来研究SSO。Tm离子半径比Gd半径小，掺杂调制Mn离子磁基态由A-AFM和SSO共存态到ab面螺旋自旋序(ab-SSO)再到bc面螺旋自旋序(bc-SSO)。在铁电极化上表现为先增加后减小，呈现“A”形状。根据相关前人工作与实验数据分析，得出了整个SSO区域的磁基态和铁电极化，为研究SSO提供了实验基础。