Mn摻雜SmFeO3的磁性研究

王浩+劉晴+韓月

本實驗采用傳統固相燒結工藝制備了SmFe1-xMnxO3（x=0，0.1，0.2，0.3）多鐵陶瓷樣品，研究不同含量的Mn摻雜對樣品的微觀結構、以及磁性能的影響。X-射線衍射譜顯示樣品均已形成簡單鈣鈦礦相，磁性能測量結果顯示摻雜后樣品的磁滯回線形狀發生明顯改變并且飽和磁化強度隨著摻雜量的增加而減小。樣品的磁轉變溫度隨著摻雜量的升高而逐漸降低。

人們對鈣鈦礦型 ABO3 氧化物的結構特征、電磁性質等方面的探索和研究始于上個世紀50年代 [1]，但是受限于當時的測試條件以及受關注程度較小，使得這類材料沉寂了幾十年，直到1993年在鈣鈦礦La1-xCaxMnO3-δ系列中發現巨磁電阻效應（CMR），才使得鈣鈦礦型氧化物得到廣泛的關注和深入研究。RFeO3系列由于磁性和鐵電性來源于同一結構可能會產生較強的磁電耦合而被人們持續研究 [2]，SmFeO3是其典型代表之一。但是目前的研究中SmFeO3并沒有表現出人們期望中的強的磁電耦合，因此我們希望通過其他方法來增強它的耦合。金屬離子摻雜是最直接也是最有效的增強磁電耦合的方法之一 。

文獻報道Mn摻雜YFeO3中出現了低溫反鐵磁向高溫弱鐵磁轉變的相變，并認為這一相變可以用雙交換機制以及Jahn–Teller效應來解釋。Mn 摻雜還可能會導致磁轉變溫度的降低，考慮到該類材料中，在磁轉變溫度附近往往會出現較明顯的磁電效應。而SmFeO3 和 SmMnO3 都屬于正交晶系，Pbnm 空間群，又由于 Fe3+和 Mn3+離子半徑相近而不會引起晶格發生明顯變化，如果把這兩種離子按一定比列進行配比有可能會產生強烈的磁電耦合。

一、樣品的制備

采用傳統固相反應燒結法制備SmFe1-xMnxO3（x = 0，0.1，0.2，0.3）陶瓷，選用原料為Fe2O3 （分析純99 %）、Sm2O3 （分析純99 %）、Sm2O3 （分析純99 %）的高純粉末，首先在900 ℃ - 1040 ℃溫度范圍內預燒結6 h，然后在10 MPa 的壓強下壓成直徑為10 mm的圓片，最后在1300-1380 ℃空氣中燒結10 h

二、實驗結果與討論

1.樣品的物相分析

圖1顯示了SmFe1-xMnxO3在室溫下的X射線衍射圖譜（XRD），經與正交晶系的SmFeO3標準譜 （JADE39-1490）對照之后，將這些峰的密勒指數標出。通過對比，我們可以發現摻雜前的峰和摻雜后的峰能夠很好的吻合，這說明Mn摻雜并沒有改變樣品的鈣鈦礦結構。分析原因主要有以下兩點：（1） Mn3+跟Fe3+具有相同的化合價；（2） Mn3+（r = 0.66nm） 離子半徑跟Fe3+ （r = 0.64nm）離子半徑非常接近，所以樣品的結構也相似。

2.樣品的磁性測量結果

圖3顯示的是SmFe1-xMnxO3 （x = 0，0.1，0.2，0.3）陶瓷樣品在室溫下的磁滯回線。從圖中我們可以看出樣品未摻雜前是典型的反鐵磁回線，隨著Mn的摻入樣品的磁滯回線呈現出明顯的變化，變化后的回線類似于鐵磁回線，同時，我們發現樣品的+Mr和-Mr不是嚴格對稱的，這可能是Mn的摻入改變了樣品的磁結構，Mn3+和Fe3+綜合作用的結果。此外，對比所有回線我們可以看出，隨著Mn摻雜量的增加，樣品的飽和磁化強度隨之降低。我們認為，這是因為隨著Mn摻雜量的增加，Fe3+-O-Fe3+的反鐵磁作用減弱的結果 [9]。

圖4給出了SmFe1-xMnxO3 樣品的M - T曲線，外加磁場為500 Oe，溫度變化范圍為25 - 500 ℃，從圖中可以看出隨著Mn摻雜量的增加，樣品的磁相變溫度向低溫方向移動，這一結果與文獻報道相一致 [3]。分析原因，我們認為在Mn摻雜SmFeO3中，隨著Mn摻雜量的增加，Fe3+-O-Fe3+的反鐵磁作用減弱，所以樣品的反鐵磁奈爾溫度逐漸降低。另外我們發現樣品的自旋重組溫度隨著Mn含量的增加也向低溫方向移動，當摻雜量為0.2時自旋重組現象消失，我們初步認為這是由于Mn摻雜破壞了材料中Fe-O-Fe的反鐵磁作用。

三、小結

用傳統的固相燒結法制備了SmFe1-xMnxO3 （x = 0，0.1，0.2，0.3）多晶陶瓷樣品。XRD圖譜結果顯示所有樣品均已成相，沒有發現雜相，Mn摻雜沒有改變樣品的晶體結構。磁性測量結果顯示，隨著Mn的摻入樣品的磁滯回線發生明顯改變，并且+Mr與-Mr不對稱，我們認為這是Fe3+和Mn3+綜合作用的結果。同時，隨著Mn摻雜量的增加樣品的奈爾溫度不斷降低，我們認為這是由于Mn的摻入Fe-O-Fe反鐵磁作用減弱的結果。

參考文獻：

[1]E. O. Wollan， and W. C. Koehler， Phys. Rev. 100， 545 （1955）.

[2]D. L. Fox， and J. F. Scott， J. Phys. C： Solid State Phys. 10， L329 （1977）.

[3]P. Mandal， V. S. Brinu， Y. Sundarayya， C. Narayana， A. Sundaresan， and C. N. R. Rao， Phys. Rev. Lett. 107， 137202 （2011）.