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人类对材料性能以及尺寸的要求越来越高,这就需要开发能够整合不同材料特性的新型材料。同时具有铁电性和铁磁性的功能材料,即多铁性材料,恰恰满足了这种需求,在信息存储以及多功能电子设备如传感器等方面都具有很大发展潜力,受到广泛关注。但是,现在发现的大多数多铁材料的铁电性和磁性来源于不同的结构单元,观测到的磁电耦合都较弱,更谈不上磁性和铁电性的互相调控。要实现强烈的磁电耦合应该是铁电性产生机制与磁性产生机制相互本征关联,其中一种途径就是直接由自旋有序排列导致的铁电性。
TbMnO3是一种很好的多铁性材料,但是,尼尔温度点太低。因此,很多研究者希望对TbMnO3进行掺杂,使其性质在原有基础上有所改善。本论文研究的主要内容就是通过对TbMnO3潜在多铁性能较好的化合物为基进行掺杂,根据钙钛矿及其相关结构的特点,结合元素的化学性质,设计合成可能具有多铁性的化合物；进而利用衍射技术,电子显微技术,结合其他一系列物理、化学性质测量,研究所得化合物的结构及相变特点;最后,讨论结构与性质的关系。主要研究结果如下:
1.合成了Tb1-xMn1+xO3-δ(0.06≤x≤0.16)固溶体,利用X射线衍射和电子衍射进行表征,结果显示该固溶体与TbMnO3的空间群相同,均为Pnma,同时晶胞参数随着掺杂量的改变而改变。利用化学滴定和XPS确定了元素组成和价态。为了研究化合物中各元素的具体占位情况,建立了两种模型,根据中子衍射数据,用GSAS软件进行精修,得出结论:该固溶体中Mn并没有占据Tb的位置,而是由于Tb和O的缺位变化导致了固溶体的产生,因此该固溶体应写成Tb1-yMnO3-3y/2的形式。利用PPMS对该固溶体进行磁性测试,M-T曲线显示,尼尔温度TN变化不大;整个固溶区随着Tb/Mn的增大,ZFC与FC曲线的分叉点TR在46K到8K范围内,逐渐减小,但具体TR的物理意义未知。M-H曲线显示,该固溶体的为铁磁性和亚铁磁性的混相,其回线随着掺杂量的不同发生变化,但具体原因需要有低温中子数据来解释。
2.用传统的固相反应合成了Pb1-xTbxTi1-xMnxO3(0≤X≤0.10)固溶体并用X射线粉末衍射进行了表征,室温下其空间群为P4mm。热分析仪测试结果显示,随着Tb和Mn掺杂量的增加,该固溶体的相变温度TC降低。介电常数在TC附近出现峰值,表明对应的相变是铁电相变。磁性测量显示,当x=0.08和x=0.10时,Pb1-xTbxTi1-xMnxO分别在25和29K附近有顺磁性向反铁磁性的转变。