Al掺杂NdFeO3体系的晶体结构精修与磁特性研究
文章编号:１００１Ｇ９７３１(２０１５)１８Ｇ１８０４８Ｇ０６
A l掺杂N d F e O３体系的晶体结构精修与磁特性研究?郭沛音１,曹世勋１,黄若祥１,冯振杰１,曹义明１,赵伟尧１,康保娟１,鲁一波２,张金仓１(１．上海大学理学院物理系,上海２００４４４;２．上海大学微结构实验室,上海２００４４４)
摘一要:一利用固相反应法制备了A l掺杂的N d F e１－x A l x O３系列化合物.通过X射线粉末衍射和结构精修分析发现,随着A l掺杂量的增加,样品晶胞参数变小,晶胞内F e O键长二F e O F e键角也发生了很大程度的改变,并且在a二b二c方向上存在不同的变化规律.
A l掺杂导致样品结构上的改变对其磁学性质具有重要影响.磁测量结果表明,随着A l掺杂量的增加,由d z y a l o s h i n s k yＧm o r i y a(DＧM)相互作用导致的宏观磁性逐渐减弱;由N d离子磁晶格与F e离子磁晶格耦合作用导致的体系自旋重取向相变温度向低温方向移动,样品的饱和磁化强度随着A l掺入浓度的增加呈减小趋势.表明F e位非磁性元素A l的掺入,使得样品内部由DＧM相互作用所引起的倾角反铁磁结构受到了明显的调制.
关键词:一稀土铁氧化物;晶胞结构;磁学性质
中图分类号:一O７６;O４８２．５文献标识码:A D O I:１０．３９６９/j．i s s n．１００１Ｇ９７３１．２０１５．１８．００９
１一引一言
稀土铁氧化物R F e O３作为一种具备丰富物理性质的磁功能材料[１Ｇ２],例如其自旋重取向相变[３]二磁光效应[４Ｇ６]以及多铁性[７Ｇ８],已经成为凝聚态物理热点研究领域之一.R F e O３是正交晶系钙钛矿型结构(空间群为P b n m),每个晶胞拥有４个原胞,其中每个F e离子和与其相邻的６个O离子组成铁氧八面体,稀土离子R则分布在这些铁氧八面体的空隙里[９].同时,由于稀土铁氧化物的内部存在着F eＧF e二F eＧR和RＧR３种相互作用,使得当温度二磁场二压力等外加条件发生变化时,R F e O３表现出丰富的磁特性[１０].N d F e O３是典型的钙钛矿型结构,拥有由N d３＋二F e３＋各自的亚晶格构成的复式磁结构,两个亚晶格之间存在着F e３＋ＧF e３＋二F e３＋ＧN d３＋二N d３＋ＧN d３＋３种相互作用[１１],其中, F e３＋ＧN d３＋二N d３＋ＧN d３＋相互作用随着温度降低会逐渐增强,在低温区域时这些相互作用影响着样品本身的磁结构与宏观磁学性质;F e３＋ＧF e３＋超交换作用最强,并使N d F e O３具有一个G型反铁磁[１２]的基本磁结构,由于D z y a l o s h i n s k yＧM o r i y a(DＧM)相互作用[１３Ｇ１４],G型反铁磁结构出现了一定的倾角[１５].在N d F e O３中F e位掺入非磁性离子A l代替部分F e离子,使得样品中F e离子亚晶格的F eＧF e分布和倾角反铁磁结构发生变化,从而影响样品的磁性.通过X射线粉末衍射(X R D)测试二R i e t v e l d精修[１６]二晶胞结构研究和样品的磁性测量与分析,揭示了A l掺杂对样品F e O键长二F e O F e键角的影响,并且分析了样品结构与磁性的内在关系.
２一实一验
N d F e１－x A l x O３(x＝０,０．１,０．２,０．３)系列多晶样品采用固相反应法制备.将高纯度的A l２O３(９９．９９％)二F e２O３(９９．９９％)和N d２O３(９９．９％)按照组分精确配比,在玛瑙研钵中研磨使其充分混合.样品干燥后,在１２００?下保温２４h.将第一次烧结样品再次置于玛瑙研钵中充分研磨,在１２M P a的压强下压制成直径１３mm厚约３mm的圆片,在１３００?下保温２４h,即得到所需的多晶样品.所有的反应过程均在空气气氛中进行,烧结完成后随炉自然降至室温[１７].样品晶体结构利用D/MA XＧ２５５０型粉末衍射仪(R i g a k u,C uＧKα)进行测试.磁性测量采用物性测量系统(P P M S,Q u a n t u m D e s i g n,磁场最大为７．２?１０６A/m,温度范围为１．９~４００K)的振动样品磁强计附件(V S M).
３一结果与讨论
通过应用V E S T A软件[１８]获得了N d F e O３的晶体结构示意图,如图１所示.在F e原子和６个O原子所形成的铁氧八面体中,处在３种不同位置的O原子分别标记为O１二O２和O３,N d原子则位于铁氧八面体之间.通过同一氧原子,铁氧八面体相互连接构成共顶点的三维结构,其中,由于DＧM相互作用[１３Ｇ１４], F e O F e呈一定倾角排列,即在N d F e O３的晶格中,铁氧八面体在结构上存在着一定的畸变[１９].为了深入了解DＧM相互作用[１３Ｇ１４]对物质磁性的影响,通过掺入非磁性元素A l来影响倾角反铁磁结构,从而观测物质磁性的变化.
８４０８
１２０１５年第１８期(４６)卷
?基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１３７２１４９,１１２７４２２１,１１２７４２２２);上海市自然科学基金资助项目(１３Z R１４１５２００);浦江计划资助项目(１３P J D０１５)
收到初稿日期:２０１４Ｇ１０Ｇ２０收到修改稿日期:２０１５Ｇ０４Ｇ０８通讯作者:曹世勋,EＧm a i l:s x c a o＠s h u．e d u．c n
作者简介:郭沛音一(１９９１－),女,河南洛阳人,在读硕士,师承曹世勋教授,从事稀土铁氧化物磁学性质研究.
图１一N d F e O３晶格结构示意图
F i g１S c h e m a t i c p r e s e n t a t i o no ft h e N d F e O３o r t h oＧ
r h o m b i cu n t i l c e l l
通过X R D测试,N d F e１－x A l x O３(x＝０,０．１,０．２,０．３)系列多晶样品的衍射图谱如图２所示.
结合F u l l p r o f软件[２０],对样品的X R D衍射图谱进行了精修.精修结果表明,所制备的样品均为单相正交钙钛矿结构.通过分析精修结果,得出样品的晶胞参数以及以F e原子为原点其它原子的笛卡尔坐标二晶胞参数以及原子坐标数据如表１所示.
图２一N d F e１－x A l x O３(x＝０,０．１,０．２,０．３)系列多晶样品的X R D精修图谱
F i g２T h e r i e t v e l d r e f i n e m e n t a t l a s o fN d F e１－x A l x O３(x＝０,０．１,０．２,０．３)p o l y c r y s t a l s
表１一N d F e１－x A l x O３(x＝０,０．１,０．２,０．３)系列多晶样品的晶格参数
T a b l e１T h e l a t t i c e p a r a m e t e r s o fN d F e１－x A l x O３(x＝０,０．１,０．２,０．３)p o l y c r y s t a l s
x００．１０．２０．３
晶胞参数/n m a０．５４５３１２(３)０．５４４４３０(１)０．５４３４２６(８)０．５４２７７７(７) b０．５５８９６３(１)０．５５５６９４(１)０．５５２１６０(４)０．５４９９７１(１) c０．７７６５６３(８)０．７７４４０８(５)０．７７２１４９(８)０．７７０４８３(２)
原子坐标N d
x０．０１２１(１)０．０１００(３)０．０１０４(２)０．００８９(２)
y０．５４８９(１)０．５４５９(１)０．５４３０(２)０．５３９７(２)
z０．２５０．２５０．２５０．２５
O１
x０．４０６０(１)０．４１６９(９)０．４２０４(１)０．４１６９(９)
y０．５２３０(１)０．５２１１(２)０．５２４１(６)０．５２３３(４)
z０．７５０．７５０．７５０．７５
O２
x０．１９５５(１)０．２０９６(３)０．２０８３(７)０．２１８３(７)
y０．２８４０(１)０．２９５１(９)０．２９７８(６)０．２８８６(４)
z０．０４４３(１)０．０４０２(７)０．０３７７(２)０．０４３５(７)
O３
x０．３０４５(１)０．２９０３(７)０．２９１６(３)０．２８１６(３)
y０．７８３９(９)０．７９５１(９)０．７９７８(６)０．７８８６(４)
z０．０４４３(１)０．０４０２(７)０．０３７７(２)０．０４３５(７)
９４０８１
郭沛音等:A l掺杂N d F e O３体系的晶体结构精修与磁特性研究