来源:Magnetochemistry 发布时间:2022/3/10 16:55:33
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铁酸铋系列钙钛矿的磁行为 | MDPI Magnetochemistry

论文标题:Magnetic Behaviour of Perovskite Compositions Derived from BiFeO3

(铁酸铋系列钙钛矿的磁行为)

期刊:Magnetochemistry

作者:Andrei N. Salak et al.

发表时间:16 November 2021

DOI:10.3390/magnetochemistry7110151

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期刊链接:

https://www.mdpi.com/journal/magnetochemistry

文章导读

本文研究了高压合成的 (1−y)BiFeO3-yBiZn0.5Ti0.5O3 (0.05 ≤ y ≤ 0.90) 系列钙钛矿固溶体的相含量和序列、晶体结构和磁性。在合成的实验样品中发现了菱形R3c的BiFeO3 (铁酸铋) 以及四方P4mm的BiZn0.5Ti0.5O3的两个结构钙钛矿相类型。研究发现,在0.30 ≤ y ≤ 0.90的组成范围内,菱形相和四方相会共存。此外,作者还测量分析了y < 0.30的BiFe1-y[Zn0.5Ti0.5]yO3陶瓷的磁性能与温度的函数关系,进一步讨论了高压合成对母体BiFeO3形成不同于调制摆线态特征的反铁磁态的作用。

研究内容

铋铁氧体是少数I型多铁性材料之一,同时具有铁电性和铁磁性。BiFeO3铁位点的化学改性是调整这种材料磁性行为的直接方法。然而,使用传统的合成路线,可能只能达到几个原子百分比的取代率,且使用常规路线从铁氧体铋衍生的B位取代成分与母体BiFeO3属于相同的空间群R3c,相比之下,高压合成会形成其他结构相,且能得到较高的取代率。来自阿威罗大学的Andrei N. Salak等人[1]在Magnetochemistry 期刊上发表的文章总结了BiFe1−y[Zn0.5Ti0.5]yO3钙钛矿相的晶体结构和磁性能的组成行为,并将它们与BiFe1−yB3+yO3钙钛矿的各自依赖性进行了比较 (其中B3+ = Ga、Co、Mn、Cr和Sc)。

对(1−y)BiFeO3-yBiZn0.5Ti0.5O3系列的合成 (未退火) 样品的XRD数据分析结果表明,合成样品中除了钙钛矿相之外不存在其他晶相。在y < 0.30时,随着y值的增加,样品只具有菱形R3c结构的单相钙钛矿。而随着Zn-Ti含量的增加,新的与四方钙钛矿相相关衍射峰会逐步出现并增强 (如图1),这与母体BiZn0.5Ti0.5O3类似[2]。在0.30 ≤ y ≤ 0.90的范围内,菱形相和四方相钙钛矿会共存从,除此无其他钙钛矿相出现。

图1. 在高压下合成的(1-y)BiFeO3-yBiZn0.5Ti0.5O3样品的XRD表征。

BiFe1−y[Zn0.5Ti0.5]yO3样品的磁性测量结果如图2和3所示。在此之前,一般从热处理过的样品的磁数据可以观测到更为明显的Néel温度[3]。因此,退火样品可用于估计TN值。图2是在500 Oe的外加磁场中,从高温到330 K (FC) 测量出来的样品磁矩与温度之间的关系图。在AFM条件下及0.1 ≤ y < 0.25时,可以观察到BiFe1-yScyO3陶瓷的[4]两个与温度相关的磁矩异常,其被认为是磁转变信号 (标为Tm和Ta)。在如图3中零场冷却 (ZFC) 状态下,与BiFe1-yScyO3相比,在较低y值情况,所得样品没有上述的转变特征[4]。仅从M/H(T)曲线的导数中,y = 0.2显示了图3中箭头所示磁结构的可能转换。

图2. 退火BiFe1−y[Zn0.5Ti0.5]yO3样品的归一化温度相关磁矩在 (FC) 体系中且330 K以上的温度范围内测量的结果。

图3. ZFC方案中5–400 K温度范围内测量的具有0.1 ≤ y < 0.2的合成BiFe1−y[Zn0.5Ti0.5]yO3样品的M/H的温度依赖性。Tm和Ta是根据M/H(T) 曲线的导数估计的。

总结

该研究指出,在使用高压合成制备的BiFe1−y[Zn0.5Ti0.5]yO3系列 (0.05 ≤ y ≤ 0.90) 的合成 (未退火) 陶瓷中,可以检测到两种钙钛矿结晶相,即菱形R3c,与母体BiFeO3中的相似,所得的四方P4mm相与高压稳定的BiZn0.5Ti0.5O3中的P4mm相似。在B3+ = Cr、Sc和Zn0.5Ti0.5的BiFe1−yB3+yO3钙钛矿中观察到的低于TN的磁矩的温度行为异常,表明不同类型的反铁磁排序 (共线、倾斜和摆线自旋排列) 的磁态之间具有可逆转变,这种转变的发生可能是BiFe1−yB3+yO3钙钛矿高压稳定性质的特征,需要进一步研究。

参考文献

1. Salak, A.N.; Cardoso, J.P.V.; Vieira, J.M.; Shvartsman, V.V.; Khalyavin, D.D.; Fertman, E.L.; Fedorchenko, A.V.; Pushkarev, A.V.; Radyush, Y.V.; Olekhnovich, N.M.; Tarasenko, R.; Feher, A.; ?i?már, E. Magnetic Behaviour of Perovskite Compositions Derived from BiFeO3. Magnetochemistry 2021, 7, 151.

2. Suchomel, M.R.; Fogg, A.M.; Allix, M.; Niu, H.; Claridge, J.B.; Rosseinsky, M.J. Bi2ZnTiO6:  a lead-free closed-shell polar perovskite with a calculated ionic polarization of 150 μC cm−2. Chem. Mater. 2006, 18, 4987–4989.

3. ?i?már, E.; Vorobiov, S.; Kliuikov, A.; Radyush, Y.V.; Pushkarev, A.V.; Olekhnovich, N.M.; Cardoso, J.P.; Salak, A.N.; Feher, A. Structural and magnetic phase transitions in the Fe-rich compositional ranges of the multiferroic BiFe1-x[Zn0.5Ti0.5]xO3 perovskites. Integr. Ferroelectr. 2021.

4. Fertman, E.L.; Fedorchenko, A.V.; ?i?már, E.; Vorobiov, S.; Feher, A.; Radyush, Y.V.; Pushkarev, A.V.; Olekhnovich, N.M.; Stanulis, A.; Barron, A.R.; et al. Magnetic diagram of the high-pressure stabilized multiferroic perovskites of the BiFe1-yScyO3 series. Crystals 2020, 10, 950..

Magnetochemistry 期刊介绍

主编:Carlos J. Gómez García, Universidad de Valencia, Spain

期刊主要覆盖磁性的所有领域,特别关注磁性材料的设计、合成、表征及其结构和性质关系的研究。

2020 Impact Factor:2.193

5-Year Impact Factor:2.313

Time to First Decision:12.3 Days

Time to Publication:38 Days

 
 
 
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