Dion-Jacobson层状钙钛矿氧化物新材料的合成及其性能的研究

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层状钙钛矿氧化物是一种重要的功能材料,在其中观察到许多新现象,如高温超导、巨磁电阻、离子电导率、光催化和铁电。与其他系列层状钙钛矿相比,由于合成困难、质子电导率和吸湿性,Dion-Jacobson(DJ)家族在晶体结构和物理性质方面尚未得到广泛研究,特别是在铁电性能方面。本文探索了两层和三层DJ系列新型层状钙钛矿氧化物材料的合成并成功进行了结构表征。主要工作如下:(1)利用固相反应法成功制备了两层DJ相钙钛矿氧化物CsSmNb2O7和CsSmTa2O7。两种材料均成相良好,纯净无杂相。X射线晶体衍射分析表明这两种新材料样品都具有极性结构,空间群均为P21am。通过扫描电子显微镜观察到,样品形貌均是片层状。EDS能谱分析表明样品原子比与名义配比基本一致。二次谐波(SHG)测量显示用800nm的激光打在样品表面后在400 nm处均有反射光,可见这两种新材料均是非中心对称结构。铁电测试结果显示其具有铁电性,但有较大的漏电流现象,介电常数在低频区较高,并且有介电色散现象。磁性结果显示这两种材料具有顺磁性。(2)参照两层DJ相钙钛矿的制备方法成功制备三层DJ相钙钛矿材料CsBi2Ti2NbO10。在CsBi2Ti2NbO10成功制备的基础上,用稀土元素和强磁性元素对A’、A及B位元素进行取代,试图探索其铁电性能和磁学性能。成功制备出三层新型DJ相钙钛矿材料CsNd2Ti2TaO10,CsSm2Ti2TaO10及RbNd2Ti2NbO10。探索出它们最佳烧结条件为:1000℃,24 h。采用Rietveld精修方法对三种新材料的粉末X射线衍射数据进行拟合分析,证实了这三种新型三层DJ相钙钛矿材料在室温下属于P4/mmm空间群,高对称的四方晶系,SHG的测量并没有测试到反射光,进一步证实它们属于中心对称非极性(nonpolar)结构。铁电测试结果显示该三种材料几乎没有铁电性,介电常数呈现出介电色散现象。磁性性质表明CsNd2Ti2TaO10、RbNd2Ti2NbO10样品表现出反铁磁性能,而含Sm3+的CsSm2Ti2TaO10样品是顺磁态。通过上述实验,我们成功合成出两层及三层新型的DJ相钙钛矿氧化物材料,并对其进行结构精修和物性表征,结果显示n=2层DJ相新材料空间群是P21am,极性结构,有铁电性,但是漏电流现象严重;而n=3层DJ相新材料是中心对称的P4/mmm空间群,非极性结构,没有铁电性;磁性测试结果表明含有Sm3+的样品均是顺磁态,而ANd2Ti2BO10(A=Cs,Rb;B=Ta,Nb)样品是反铁磁相。
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