nb2co4o9的磁性介电及磁电耦合效应研究【字数：10874】
摘 要多铁性材料是近些年来发展迅速的新型功能材料，其优秀的磁电耦合性能被广泛应用于传感器、换能器等电子器件。在存储、驱动、传感等高端领域引起越来越多的重视。特别是近些年来，越来越多的人投入到对单相多铁性材料的研究，这使得此类材料得到了巨大发展。本文研究了属于多铁性材料，具有反铁磁性的化合物Nb2Co4O9的磁有序和电有序之间的耦合效应。在磁有序态(TN=27.5 K)温度下，观察到该材料的一个显著的磁电性能，即电极化出现在反铁磁性温度之下且随着外磁场线性增强。与此同时，磁场诱导的介电峰也随之增强。本文将对该化合物的自旋相关的介电异常以及电极化的产生机制加以讨论。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 单相多铁性材料的基本性质 1
1.2.1 物质的磁性 1
1.2.2 磁电耦合效应的发现 3
1.3 本论文的研究目的、意义及安排 3
第二章 材料制备与表征 5
2.1 试验样品的制备及处理 5
2.1.1 固相反应烧结法 5
2.2 材料结构表征 5
2.2.1 X光衍射仪(XRD) 6
2.2.2 扫描电镜(SEM) 6
2.3 材料基本的测量物理量 7
2.3.1 超导量子干涉仪(SQUID) 7
2.3.2 PPMS系统(Physical Property Measurement System) 8
2.3.3 介电常数测量 8
2.3.4 热释电测量 8
第三章 Nb2Co4O9的磁性，介电及磁电耦合效应研究 10
3.1 引言 10
3.2 实验方法 11
3.3 实验结果及讨论 12
3.4 本章小结 16
第四章 总结与展望 17
参考文献 18
致 谢 19
第一章 绪论
1.1 引言
从物理学成立之初，人们就把电与磁确定是两个最基本的物理现象。在之后的物理学发展中，人们不断的探索电与磁的关系。古希腊的科学家泰勒斯曾经做过一系列有关静电的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
观察，他从观察到的种种现象中得出结论：摩擦琥珀会使得其被带有磁性[1]。再到后来，丹麦科学家奥斯特发现并且提出了电流磁效应。在此之后，法国科学家安培发现的电流与电流之间相互作用的规律，即安培定律。电与磁之所以被连成一体还要归功于科学家法拉第。他提出了电磁感应定律[2]，初步表明电磁的一体。到了19世纪中叶，科学家麦克斯韦提出了统一的电磁场理论，即麦克斯韦方程组[3]。麦克斯韦方程组阐释了电与磁之间的耦合关系，简而言之就是电与磁之间相互转换产生。由于电磁场能够独立存在于真空，电磁场的内稟性质[4]使得这种电磁耦合不需要外界物质做媒介就可进行。受到基础科学和实际应用科学方面的鼓励，具有优秀电磁耦合效应的多铁性材料被广泛研究使用。由于多铁性材料中同时存在着铁电序和铁磁序，两点之间存在交互作用，这就是电磁耦合效应。在此类材料中，电极化可以通过加入外磁场来调控，磁极化可以通过加入外加电场进行调控。而且材料在磁相变点处会产生介电常数异常。因此，这类材料常常可以被设计开发成磁数据存储器件，其优秀的性能使得它正慢慢成为国际材料研究领域的新星。
1.2 单相多铁性材料的基本性质
1.2.1 物质的磁性
任何一样物质都具有磁性，所以磁性是物体的一种普遍属性。物质的磁性成因也十分简单，其原理就是构成物质的基本粒子所表现出的磁性。所有物质都是由原子构成，而原子由原子核及核外电子构成。众所周知，电子要在绕着原子核作轨道运动，与此同时电子还要作自旋运动，这两种运动都可以产生电，由于电磁转换，电就变成了磁，这也就使物体带了磁性。另外，带电的原子核运动时也会产生磁矩，相较于另外一种产生电磁的方式它要小的很。所以通常忽略不计 [5]。
磁性物质所产生的磁化强度和外加电场强度我们可以用公式11表示：
M=XH （11）
式中X表示物质的磁化率，通常来说，它表示为单位体积内的物质的原子的总磁矩，同时物质磁化能力的强弱也与之相关，这也是磁性分类的基本依据。磁化率的大小同温度的关系，以及磁场的关系，可以分成五大类：抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性[6]。
1.2.1.1 抗磁性和顺磁性
抗磁性的定义是，一些材料在受到外加磁场作用后，感生的磁化强度与外磁场的方向相反，即磁化率X<0并且与外界温度无关。惰性气体表现出来的磁性就是最为典型的抗磁性。还有一些有机化合物、部分金属(例如Zn、Ag、Bi等)以及一些非金属(例如P、S、Si等)也是表现出抗磁性。然而有些材料受到外加磁场作用后，其感生的磁化强度与外场方向相同，即磁化率X>0，但是数值很小(在室温下，X一般为103106数量级)，表现微弱磁性，这就是顺磁性的定义。但是无外场作用时，由于存在着热骚动能，使得此类材料的原子磁矩取向混乱，从而使得这种材料对外不显磁性。要使得它重新恢复原本的状态，只有加大外场或者重新引入外场时，才可以产生新的磁化强度。许多材料拥有顺磁性，例如稀土金属和铁族元素的盐类等(例如K、Na、Li、Rh等)。对于顺磁性材料而言，它的磁化率X与温度T成反比，并且服从居里定律，但是服从居里定律的顺磁性材料甚少，只有NO、O2。绝大多数顺磁性材料都遵循着更加复杂的居里外斯定律，即
X=C/(TTP) (12)
式中，TP指的是临界温度，它又叫做顺磁居里温度。
1.2.1.2 铁磁性
具有铁磁性的物质在一定温度以下，只需要加入一个很小的外加磁场材料就会被磁化，其磁化率X>0，数值在101106之间，而且此类材料在反复磁化时会出现磁滞现象。铁磁性材料的内部原子磁矩排布规律，都是自发平行排列，我们把这种现象叫做自发磁化。当铁磁性材料被放入一个外加磁场时，它的磁化率X会比较大，这主要是因为它的自发磁化所导致的。然而铁磁性可变成顺磁性，方法就是外加温度高过居里温度，这样的温度会破坏铁磁性材料的内部原子磁矩的排列，这使得铁磁性就转变成顺磁性。具有这种铁磁性的元素不是很多，但是合金和化合物种类繁多(例如Fe、Co、Ni、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm)。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 单相多铁性材料的基本性质 1
1.2.1 物质的磁性 1
1.2.2 磁电耦合效应的发现 3
1.3 本论文的研究目的、意义及安排 3
第二章 材料制备与表征 5
2.1 试验样品的制备及处理 5
2.1.1 固相反应烧结法 5
2.2 材料结构表征 5
2.2.1 X光衍射仪(XRD) 6
2.2.2 扫描电镜(SEM) 6
2.3 材料基本的测量物理量 7
2.3.1 超导量子干涉仪(SQUID) 7
2.3.2 PPMS系统(Physical Property Measurement System) 8
2.3.3 介电常数测量 8
2.3.4 热释电测量 8
第三章 Nb2Co4O9的磁性，介电及磁电耦合效应研究 10
3.1 引言 10
3.2 实验方法 11
3.3 实验结果及讨论 12
3.4 本章小结 16
第四章 总结与展望 17
参考文献 18
致 谢 19
第一章 绪论
1.1 引言
从物理学成立之初，人们就把电与磁确定是两个最基本的物理现象。在之后的物理学发展中，人们不断的探索电与磁的关系。古希腊的科学家泰勒斯曾经做过一系列有关静电的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
观察，他从观察到的种种现象中得出结论：摩擦琥珀会使得其被带有磁性[1]。再到后来，丹麦科学家奥斯特发现并且提出了电流磁效应。在此之后，法国科学家安培发现的电流与电流之间相互作用的规律，即安培定律。电与磁之所以被连成一体还要归功于科学家法拉第。他提出了电磁感应定律[2]，初步表明电磁的一体。到了19世纪中叶，科学家麦克斯韦提出了统一的电磁场理论，即麦克斯韦方程组[3]。麦克斯韦方程组阐释了电与磁之间的耦合关系，简而言之就是电与磁之间相互转换产生。由于电磁场能够独立存在于真空，电磁场的内稟性质[4]使得这种电磁耦合不需要外界物质做媒介就可进行。受到基础科学和实际应用科学方面的鼓励，具有优秀电磁耦合效应的多铁性材料被广泛研究使用。由于多铁性材料中同时存在着铁电序和铁磁序，两点之间存在交互作用，这就是电磁耦合效应。在此类材料中，电极化可以通过加入外磁场来调控，磁极化可以通过加入外加电场进行调控。而且材料在磁相变点处会产生介电常数异常。因此，这类材料常常可以被设计开发成磁数据存储器件，其优秀的性能使得它正慢慢成为国际材料研究领域的新星。
1.2 单相多铁性材料的基本性质
1.2.1 物质的磁性
任何一样物质都具有磁性，所以磁性是物体的一种普遍属性。物质的磁性成因也十分简单，其原理就是构成物质的基本粒子所表现出的磁性。所有物质都是由原子构成，而原子由原子核及核外电子构成。众所周知，电子要在绕着原子核作轨道运动，与此同时电子还要作自旋运动，这两种运动都可以产生电，由于电磁转换，电就变成了磁，这也就使物体带了磁性。另外，带电的原子核运动时也会产生磁矩，相较于另外一种产生电磁的方式它要小的很。所以通常忽略不计 [5]。
磁性物质所产生的磁化强度和外加电场强度我们可以用公式11表示：
M=XH （11）
式中X表示物质的磁化率，通常来说，它表示为单位体积内的物质的原子的总磁矩，同时物质磁化能力的强弱也与之相关，这也是磁性分类的基本依据。磁化率的大小同温度的关系，以及磁场的关系，可以分成五大类：抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性[6]。
1.2.1.1 抗磁性和顺磁性
抗磁性的定义是，一些材料在受到外加磁场作用后，感生的磁化强度与外磁场的方向相反，即磁化率X<0并且与外界温度无关。惰性气体表现出来的磁性就是最为典型的抗磁性。还有一些有机化合物、部分金属(例如Zn、Ag、Bi等)以及一些非金属(例如P、S、Si等)也是表现出抗磁性。然而有些材料受到外加磁场作用后，其感生的磁化强度与外场方向相同，即磁化率X>0，但是数值很小(在室温下，X一般为103106数量级)，表现微弱磁性，这就是顺磁性的定义。但是无外场作用时，由于存在着热骚动能，使得此类材料的原子磁矩取向混乱，从而使得这种材料对外不显磁性。要使得它重新恢复原本的状态，只有加大外场或者重新引入外场时，才可以产生新的磁化强度。许多材料拥有顺磁性，例如稀土金属和铁族元素的盐类等(例如K、Na、Li、Rh等)。对于顺磁性材料而言，它的磁化率X与温度T成反比，并且服从居里定律，但是服从居里定律的顺磁性材料甚少，只有NO、O2。绝大多数顺磁性材料都遵循着更加复杂的居里外斯定律，即
X=C/(TTP) (12)
式中，TP指的是临界温度，它又叫做顺磁居里温度。
1.2.1.2 铁磁性
具有铁磁性的物质在一定温度以下，只需要加入一个很小的外加磁场材料就会被磁化，其磁化率X>0，数值在101106之间，而且此类材料在反复磁化时会出现磁滞现象。铁磁性材料的内部原子磁矩排布规律，都是自发平行排列，我们把这种现象叫做自发磁化。当铁磁性材料被放入一个外加磁场时，它的磁化率X会比较大，这主要是因为它的自发磁化所导致的。然而铁磁性可变成顺磁性，方法就是外加温度高过居里温度，这样的温度会破坏铁磁性材料的内部原子磁矩的排列，这使得铁磁性就转变成顺磁性。具有这种铁磁性的元素不是很多，但是合金和化合物种类繁多(例如Fe、Co、Ni、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm)。
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