摘 要

在多铁陶瓷材料研究中发现，利用高压技术合成的一些双层钙钛矿材料会出现负磁化现象。具有负磁化效应的材料可用作磁存储器件或开关器件，有着极大的前景。此外，负磁化现象本身也是一种独特的物理现象，有助于深入理解材料的自旋结构与磁性竞争之间的联系。

本文选取双层钙钛矿Bi₂FeMnO₆，分别用常压和5Gpa高压的手段合成了两种结构的Bi₂FeMnO₆陶瓷样品，并对两种样品进行了一系列的测试，包括XRD、拉曼光谱以及磁温曲线测试等。通过测试的结果对两种样品的结构、磁温特性做出一系列分析。

研究结果表明，不同合成条件的样品表现处不同的结构特征，常压下合成样品为菱方结构，而高压合成样品为正交结构；同时在5Gpa高压合成的Bi₂FeMnO₆样品的磁温曲线中，随着温度的降低，出现了磁化反转现象，即材料的磁矩与外加磁场的方向排列相反，磁化强度呈负值。该测试结果显示高压合成Bi₂FeMnO₆陶瓷样品具有负磁化效应。通过调研分析，认为样品中的磁性竞争机制可能是DM相互作用与单离子磁晶各向异性之间的竞争。

本文的特色是结合高温高压实验技术，研究压力条件下Bi₂FeMnO₆陶瓷材料的结构相变与性能。

关键词：多铁材料；负磁化效应；高压合成；

Abstract

In the study of multiferroic ceramic materials，we found that some of the double-layer perovskite materials synthesized by high-pressure technology will exhibit negative magnetization. Materials with negative magnetization can be used as magnetic memory devices or switching devicesand it is with great prospects. In addition, the negative magnetization phenomenon is a unique physical phenomenon, which helps to understand the relationship between the spin structure of the material and the magnetic competition.

In this paper, Bi₂FeMnO₆ ceramic samples with two structures were synthesized by atmospheric pressure and 5Gpa high pressure. And a series of tests were carried out on two samples, including XRD, Raman spectroscopy and magnetic temperature curve test. Through the test results, the structure and magnetic temperature characteristics of the two samples were analyzed.

Research indicates，different synthetic conditions of the sample performance of different structural features，at normal pressure, the synthesized sample is a rhombic structure, while the high pressure synthesis sample is an orthorhombic structure. At the same time in the 5Gpa high pressure synthesis Bi₂FeMnO₆ sample magnetic temperature curve,as the temperature decreases, there is a magnetization reversal phenomenon,that is, the magnetic moment of the material and the direction of the magnetic field is opposite, the magnetization is negative. The test results show that the high pressure synthetic Bi₂FeMnO₆ ceramic sample has a negative magnetization effect. Through the investigation and analysis, it is considered that the magnetic competition mechanism in the sample may be the competition between DM interaction and single ion magneto crystalline anisotropy.

The characteristics of this paper are combined with high temperature and high pressure experimental technique to study the structural phase transition and properties of Bi₂FeMnO₆ceramic materials under pressure conditions.

Key Words：Multiferroic；Negative magnetization effect；High pressure synthesis；

目录

第1章绪论 1

1.1选题背景概述 1

1.1.1 铋系钙钛矿结构多铁材料研究概述 1

1.1.2多铁材料的负磁化效应 2

1.2高压合成具有负磁化效应的Bi₂FeMnO₆陶瓷研究意义 3

1.3 本文主要研究内容 4

第2章实验方法与技术路线 5

2.1陶瓷材料的常用合成工艺 5

2.1.1溶胶凝胶法 5

2.1.2固相反应法 5

2.2高温高压材料合成技术概述 6

2.2.1高温高压材料合成技术在材料研究中的意义 6

2.2.2高温高压实验的具体装配 6

2.2.3高温高压烧结的具体步骤 7

2.3晶格结构表征的技术方法 7

2.3.1晶格结构测试：XRD 7

2.3.2形貌结构测试：SEM 8

2.4铁磁性测试方法概述 8

2.4.1磁温曲线测试 9

2.4.2数据分析及作图软件：OriginLab 10

2.5本章小结 10

第3章Bi₂FeMnO₆陶瓷样品的高压合成 12

3.1固相反应法制备Bi₂FeMnO₆前驱体粉末 12

3.2高温高压烧结Bi₂FeMnO₆陶瓷 13

3.3本章小结 13

第4章Bi₂FeMnO₆样品的结构结构和磁性能分析 14

4.1Bi₂FeMnO₆样品的晶格结构与形貌测试 14

4.2Bi₂FeMnO₆样品的磁温曲线测试 15

4.3Bi₂FeMnO₆样品的负磁化效应机理分析 19

4.4本章小结 21

第5章全文总结 22

参考文献 23

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 选题背景概述

1.1.1 铋系钙钛矿结构多铁材料研究概述

随着现代科技的快速发展，人们对多功能器件的要求越来越迫切，多铁性材料逐渐成为科研工作者重点关注的对象。多铁性材料中包含两种及以上的铁性能，铁性能包括铁电性和铁磁性等。同时具有铁磁性和铁电性的材料，能够由外部电场作用产生磁化效应，或者可以由外部磁场引发电极化，具有磁电耦合效应，如图1.1所示。多铁材料中的磁电耦合效应很有可能会成为自旋电子学突破瓶颈的关键，同时在信息储存、计算等方面还有可能实现超高速读写，具有非常重要的科研意义。随着信息产业的发展，对同时具有铁电性和铁磁性的铁性材料的研究受到广泛的关注。从高压的角度对多铁材料的合成和相关性能的调控做进一步的探索，已经成为我们的研究方向^[1,2]。

图1.1多铁性材料的磁电耦合效应原理