co4ta2o9中的磁致电偶极矩研究【字数：9916】
摘 要本文，通过高温固相烧结法制备Ta2Co4O9多晶样品，并对材料的磁性、介电及磁电耦合等性质进行深入和具体的钻研和探讨。通过描绘的多晶样品的热磁曲线，发现该材料属于反铁磁材料。通过对磁化强度对温度取积分，拟合出磁化率倒数温度曲线，得到了离子轨道磁矩对总磁矩也有贡献。实验发现，当我们给出不同的外加磁场，在磁场的作用下的介电温谱会有所改变，介电温谱在磁相变温度（20 K）附近会呈现出异常峰，并且异常峰的变化趋向是随外加磁场的增加而加强，得到材料的介电异常可能来源于反铁磁的涨落。我们还观测关于磁场电极化随温度的变化而呈现出线性增强的电极化，并发现电极化可能与磁场有关，并发现该材料具备线性磁电耦合性质。最后，在畴效应的角度解释了单相材料的磁电耦合性能，并理解了物理现象磁电耦合产生的物理起源。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 单相线性磁电耦合材料 2
1.3 本论文研究目的、意义和安排 3
参考文献 3
第二章 材料的制备与表征介绍 5
2.1 样品的制备与处理 5
2.1.1 压片 5
2.1.2固相反应烧结法 5
2.2 结构表征 6
2.2.1 X射线衍射分析 6
2.2.2 扫描电子显微分析 7
2.3 基本的物性测量 8
2.3.1 磁学性能表征 8
2.3.2 介电常数测量 9
2.3.3 热释电测量 10
第三章Co4Ta2O9的磁致电偶极矩研究 11
3.1 引言 11
3.2 实验方法 12
3.3 实验结果及讨论 13
3.4 总结 16
参考文献 16
第四章 总结与展望 18
第五章 致 谢 19
第一章 绪论
1.1 引言
多铁性材料是能够将不同的铁的性质聚集于一体的一种奇特的多功能材料，由于这一类材料的奇特性，它能够同时具备两种或两种以上的磁学性质，例如，铁电性、铁磁性、铁弹性等，科学家曾尝试将其中两种以上的性质存在于同一种材料当中，并 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
在之后很多年的尝试中取得了成功，这就是多铁性材料。另外，它们之间还可以进行相互耦合。铁磁和铁电材料已成为当今材料研究领域的前沿方向，也是目前搜索量和讨论较多的一类多铁性材料。一般情况下，电场能够控制铁磁材料的自发极化，而磁场也能够控制铁电材料[1、7]的电极化，而这所引发的磁电耦合效应，使得多铁性材料具有某些特殊的物理性质。因而，多铁性材料是一种很重要的功能性材料，大部分适用于敏感器、 传感器等电子器件。
而在这其中，反铁磁性材料也是其中所衍生出来的有别于多铁性材料的另一类非常重要的材料。在外界环境下呈现出有规律排列的磁性材料，样品中的相邻的磁矩受到负的交换作用，自旋为反平行排列，那么磁矩虽然处于有序状态即序磁性，不受外加磁场的作用下，磁矩为零，这种磁有序的形态称之为反铁磁性。反铁磁性材料满足以下两个条件：第一.这种材料的磁矩会在外加磁场的作用下趋向于沿着磁场的方向排列，此时材料的正磁化率非常小。第二.该材料的磁化率和外界温度有着极为重要的关系，并且磁化率在拐点处有最大值。利用这种磁现象制成的材料称之为反铁磁材料[2、4、5]。
实际上铁电材料经历了一段非常漫长的发展历程，多铁性材料起源于19世纪末，P居里运基于对称性原理的假设，推测出我们生活的这个世界存在磁电效应，这为磁电研究打开了大门。1961 年，美国科学家首先报道在Cr2O3中低温下观测到本征磁电效应，这也为前期磁电效应打下了一个坚实的基础。1970年，Aizu发现物质的铁电、铁磁、铁弹三种性质有某些相似之处。在20世纪末，瑞士科学家正式提出了多铁性材料的概念，即多铁性材料是包含两种或两种以上磁性和电铁性的物理性质的的单相化合物[3、6、811]。
随着社会在不断进步，科学技术在不断进步，信息的传递和获取也会相当便捷，世界各国将大量的资金精力投入到信息存储和处理技术的研究上面，从而加快了与信息相关的材料有着极快的变化和发展。磁电耦合材料由于同时具备两种及两种以上物理性质并且可以同时接受磁场及电场的管控，其极化性质之间的耦合满足未来信息器件多功能化以及智能化的要求，顺应历史发展的潮流，在未来，将会成为科技领域的研究热点。
多铁性材料在某一温度下，由于其自身的特性，导致空间反演破缺（Broken space reversal symmetry），进而形成电极化（P）；时间反演破缺（Broken time reversal symmetry），进而形成磁场（M）。铁磁性和铁电性彼此之间的耦合便具备了磁电功能。
图1.1电场方向和磁场方向示意图
磁电耦合效应（ME effect）对于基础的物理学应用和潜在的技术有着极为重要促进作用，强的磁电耦合效应自发极化效应也源于特殊的磁结构。在测量的同时，磁电耦合系数的数值越高表明耦合的能力越强。
1.2 单相线性磁电耦合材料
上文我们了解了多铁性材料的定义，因而我们知道，自发的铁电性和铁磁性是成为多铁性材料的十分重要的环节。我们了解一个材料，当样品既具备铁电性，又具备铁磁性的时，我们便可以研究这个磁电材料所具有的基本的物理性质，如磁结构和电极化性质等。
基于对称性原理的考虑，当材料的晶体结构处于高温状态下，其原型所代表的高对称相到低温相这个过程中会发生结构的改变，从而改变了其中心对称的状态，这导致了铁电极化的出现。所以，铁电性存在的关键在于具备这种中心对称反演。从另一个角度来讲，空间的反演破缺导致了材料具有铁电性，时间反演的破缺导致了晶体材料具有自旋序。在空间反演的情况下，电极化P的方向和电场E的方向在这样的外加条件下改变了符号，但是时间反演在这种情况下是不改变符号的；但是对于磁性来说，情况恰好相反，磁化强度M和磁场H在时间反演下改变符号但在空间反演的情况下保持不变。所以多铁性必须同时满足铁电性和铁磁性两者共存的，即时间反演对称性和空间反演对称性破缺。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 单相线性磁电耦合材料 2
1.3 本论文研究目的、意义和安排 3
参考文献 3
第二章 材料的制备与表征介绍 5
2.1 样品的制备与处理 5
2.1.1 压片 5
2.1.2固相反应烧结法 5
2.2 结构表征 6
2.2.1 X射线衍射分析 6
2.2.2 扫描电子显微分析 7
2.3 基本的物性测量 8
2.3.1 磁学性能表征 8
2.3.2 介电常数测量 9
2.3.3 热释电测量 10
第三章Co4Ta2O9的磁致电偶极矩研究 11
3.1 引言 11
3.2 实验方法 12
3.3 实验结果及讨论 13
3.4 总结 16
参考文献 16
第四章 总结与展望 18
第五章 致 谢 19
第一章 绪论
1.1 引言
多铁性材料是能够将不同的铁的性质聚集于一体的一种奇特的多功能材料，由于这一类材料的奇特性，它能够同时具备两种或两种以上的磁学性质，例如，铁电性、铁磁性、铁弹性等，科学家曾尝试将其中两种以上的性质存在于同一种材料当中，并 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
在之后很多年的尝试中取得了成功，这就是多铁性材料。另外，它们之间还可以进行相互耦合。铁磁和铁电材料已成为当今材料研究领域的前沿方向，也是目前搜索量和讨论较多的一类多铁性材料。一般情况下，电场能够控制铁磁材料的自发极化，而磁场也能够控制铁电材料[1、7]的电极化，而这所引发的磁电耦合效应，使得多铁性材料具有某些特殊的物理性质。因而，多铁性材料是一种很重要的功能性材料，大部分适用于敏感器、 传感器等电子器件。
而在这其中，反铁磁性材料也是其中所衍生出来的有别于多铁性材料的另一类非常重要的材料。在外界环境下呈现出有规律排列的磁性材料，样品中的相邻的磁矩受到负的交换作用，自旋为反平行排列，那么磁矩虽然处于有序状态即序磁性，不受外加磁场的作用下，磁矩为零，这种磁有序的形态称之为反铁磁性。反铁磁性材料满足以下两个条件：第一.这种材料的磁矩会在外加磁场的作用下趋向于沿着磁场的方向排列，此时材料的正磁化率非常小。第二.该材料的磁化率和外界温度有着极为重要的关系，并且磁化率在拐点处有最大值。利用这种磁现象制成的材料称之为反铁磁材料[2、4、5]。
实际上铁电材料经历了一段非常漫长的发展历程，多铁性材料起源于19世纪末，P居里运基于对称性原理的假设，推测出我们生活的这个世界存在磁电效应，这为磁电研究打开了大门。1961 年，美国科学家首先报道在Cr2O3中低温下观测到本征磁电效应，这也为前期磁电效应打下了一个坚实的基础。1970年，Aizu发现物质的铁电、铁磁、铁弹三种性质有某些相似之处。在20世纪末，瑞士科学家正式提出了多铁性材料的概念，即多铁性材料是包含两种或两种以上磁性和电铁性的物理性质的的单相化合物[3、6、811]。
随着社会在不断进步，科学技术在不断进步，信息的传递和获取也会相当便捷，世界各国将大量的资金精力投入到信息存储和处理技术的研究上面，从而加快了与信息相关的材料有着极快的变化和发展。磁电耦合材料由于同时具备两种及两种以上物理性质并且可以同时接受磁场及电场的管控，其极化性质之间的耦合满足未来信息器件多功能化以及智能化的要求，顺应历史发展的潮流，在未来，将会成为科技领域的研究热点。
多铁性材料在某一温度下，由于其自身的特性，导致空间反演破缺（Broken space reversal symmetry），进而形成电极化（P）；时间反演破缺（Broken time reversal symmetry），进而形成磁场（M）。铁磁性和铁电性彼此之间的耦合便具备了磁电功能。
图1.1电场方向和磁场方向示意图
磁电耦合效应（ME effect）对于基础的物理学应用和潜在的技术有着极为重要促进作用，强的磁电耦合效应自发极化效应也源于特殊的磁结构。在测量的同时，磁电耦合系数的数值越高表明耦合的能力越强。
1.2 单相线性磁电耦合材料
上文我们了解了多铁性材料的定义，因而我们知道，自发的铁电性和铁磁性是成为多铁性材料的十分重要的环节。我们了解一个材料，当样品既具备铁电性，又具备铁磁性的时，我们便可以研究这个磁电材料所具有的基本的物理性质，如磁结构和电极化性质等。
基于对称性原理的考虑，当材料的晶体结构处于高温状态下，其原型所代表的高对称相到低温相这个过程中会发生结构的改变，从而改变了其中心对称的状态，这导致了铁电极化的出现。所以，铁电性存在的关键在于具备这种中心对称反演。从另一个角度来讲，空间的反演破缺导致了材料具有铁电性，时间反演的破缺导致了晶体材料具有自旋序。在空间反演的情况下，电极化P的方向和电场E的方向在这样的外加条件下改变了符号，但是时间反演在这种情况下是不改变符号的；但是对于磁性来说，情况恰好相反，磁化强度M和磁场H在时间反演下改变符号但在空间反演的情况下保持不变。所以多铁性必须同时满足铁电性和铁磁性两者共存的，即时间反演对称性和空间反演对称性破缺。
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