Mn摻雜SmFeO3的電性能研究

王浩+劉晴+韓月

TB34

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摻雜對樣品的鐵電性能以及介電性能的影響。結果發現樣品的鐵電居里溫度隨著摻雜量的升高而逐漸降低。摻Mn以后樣品的漏電流增大，因此我們未能測量到樣品的鐵電性能。

多鐵材料是集合磁性能和電性能于一身的新型材料，它們之間廣泛的存在著耦合作用，有著非常重要的研究價值[1]。例如，用多鐵材料作為記錄介質，可以實現高速率的讀寫過程；另一方面，利用鐵電性和磁性之間的耦合，來實現兩者之間的相互調控，可以為器件的設計增加一個額外的自由度。

眾所周知，錳酸鹽由于其奇特的物理性質及巨大的實際應用潛力，一直以來都受到極大的關注。研究表明，混合價態的錳酸鹽體系 R1-xAxMnO3，通過改變其 A 位組成計量比或元素種類，均不能使得其居里溫度高于 400 K。在改進錳酸鹽性能方面，許多方法被引入，其中包括對其 B 位 Mn 離子的替代。因此，Fe、Co、Ni 和 Cr 取代鈣鈦礦 B 位 Mn 離子已經被廣泛研究。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[2]。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SmMnO3跟SmFeO3一樣同屬于正交晶系，Pbnm空間群，并且Fe3+離子和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6h，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，最后涂上銀漿并還原成電極以便于測量電學性能。

二、實驗結果與討論

樣品的介電測量結果

圖2顯示了Mn摻雜SmFe1-xMnxO3樣品在摻雜量為0、0.1、0.2、0.3下的介電常數和介電損耗的溫度譜。測試頻率為506 Hz、1070 Hz、11450 Hz，測試溫度為100 - 600 ℃的變溫介電圖譜（ε - T）中，樣品的鐵電居里溫度Tc可以通過 ε 峰值所對應的溫度來確定，從圖中可以看出，隨著Mn摻雜量的增加，樣品的居里溫度在不斷降低。Mn摻雜導致材料鐵電居里（反鐵磁尼爾）溫度的降低，是因為Mn摻雜減弱了Fe3+-O-Fe3+的反鐵磁作用，所以，隨著Mn摻雜量的不斷增大材料對應的是鐵電相變溫度也隨之降低。圖中，摻雜量為0的樣品的介電圖譜上在350℃和450℃有兩個介電峰，對應了樣品的自旋重組溫度以及磁轉變溫度或鐵電相變溫度，而它的損耗峰同樣在450 ℃處出現，我們認為這跟它的磁轉變或鐵電相變相關。當摻雜量為0.1時，樣品的峰往低溫方向移動，大約在320 ℃處，跟樣品的鐵電相變溫度相一致，而損耗峰出現在約380 ℃，雖然有所偏差，但是我們仍然認為這跟鐵電相變有關。當摻雜量為0.3時，樣品在200 ℃附近出現了介電峰，而損耗峰在略高于介電峰的位置出現，由于樣品的介電峰和損耗峰都接近于樣品的鐵電居里（反鐵磁尼爾）溫度，所以我們認為這與鐵電相變有關。而當摻雜量為0.2時，樣品在250 - 300 ℃直接出現了彌散狀的介電峰，而同時在這個區域附近也出現了損耗峰，并表現出相同的頻率色散性，并且對于同一頻率下的介電損耗而言，介電損耗的峰所對應溫度比介電常數異常區的溫度要低，這是典型的介電弛豫現象。對于SmFe0.8Mn0.2O3 陶瓷樣品的介電溫譜上的介電弛豫峰，我們認為是與熱激活過程有關，對于熱激活的弛豫過程，弛豫時間和溫度之間滿足Arrhenius關系：

文獻報道[7]，對于Vo+ 和Vo++有兩個主能級分別位于0.1 - 0.7 eV和1.0 - 2.0 eV，而我們估算出跟這個值很接近，所以我們認為，SmFe0.8Mn0.2O3陶瓷樣品中的熱激活過程也與氧空位有關。初步認為，氧空位的產生跟材料中Fe/Mn離子的變價有關，針對材料中氧空位的分析，還需作進一步研究。

三、小結

介電測量結果顯示，樣品的鐵電居里溫度隨著Mn摻雜的增大而降低。分析認為這是由于Mn摻雜削弱Fe-O-Fe的反鐵磁作用，由于樣品是磁性誘發的鐵電性，使得樣品奈爾溫度降低的同時鐵電居里溫度也降低，并且，我們計算了摻雜量為0.2時樣品損耗峰的激活能，分析認為損耗峰是與氧空位相關的。

參考文獻：

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

[2] P. W. Anderson， Phys. Rev. Lett. 21， 13 （1968）.

[3] J.-Y. Kim， T. Y. Koo， and J.-H. Park， Phys. Rev. Lett. 96， 047205 （2006）.