[发明专利]室温块状多铁单晶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种室温块状多铁单晶及其制备方法。所述单晶的化学组成为Sc_xGa_2‑x‑yFe_yO₃，其中0＜x＜0.4，0.8＜y≤1.3。

技术领域

本发明涉及晶体生长及多铁功能材料领域，尤其涉及室温块状多铁单晶Sc_xGa_2-x-yFe_yO₃(0＜x＜0.4，0.8＜y≤1.3)及其制备方法。

背景技术

同时具有铁电性、铁磁性的多铁性材料近年来已成为凝聚态物理和材料科学的热门领域之一，室温下具有显著磁电耦合效应的单相多铁性材料，在传感器、驱动器和电制的磁性记忆存储器等电气部件制备工业中，具有重要的应用价值。利用数据存储的磁电耦合特性可发展新一代的磁电随机存储器。它既有磁性随机存储器在快速读取上的优势，也具有铁电存储器在反复读写耐久性上的优点。GaFeO₃具有室温下的压电性(铁电性已在薄膜中得到证实)、低温下的亚铁磁性和显著的低温磁电耦合效应，是一种很有应用前景的多铁材料。GaFeO₃属于非中心对称的正交结构，Pna21空间群。每个GaFeO₃单胞包含两种不同类型的Fe³⁺和Ga³⁺共八个阳离子，分别用Fe1、Fe2和Ga1、Ga2来表示。Ga1是氧四面体，其他的都是氧八面体。事实上，Fe和Ga由于离子半径相近，Fe和Ga离子可以分布在四种任意位置。尽管在基态下理想的GaFeO₃中，Fe1、Fe2的八面体结构具有反铁磁的自旋结构，室温下理论上净磁矩为0，然而理论和实验的研究均表明，由于Ga和Fe原子尺寸相近，Fe可以占据Ga2位，八面体中阳离子的无序和缺陷，使其具有了沿着c轴的净磁矩，从而具有了亚铁磁性。同时多余的Fe原子占据Ga2位，增加了Fe-O-Fe键的交换相互作用，可以获得更大的磁矩，从而导致了更大(高)的磁转变温度。在Ga_2-xFe_xO₃多晶和薄膜中，均证实了可以通过改变Ga和Fe的比例来调节其磁转变温度至室温以上。也有文献报道通过不同的制备方法来控制Ga和Fe位的无序来改变T_C。同时，Fe1和Fe2的氧八面体扭曲使得Fe离子的中心位置发生了偏离，Fe离子的非中心对称结构产生了自发极化和铁电性。GaFeO₃磁性和自发极化均来自于Fe原子，因而其具有很强的磁电耦合性质。对于GaFeO₃多晶，漏电流一直是获得饱和电滞回线和自发电极化合理测量值的最大的阻碍。Arima首次估算了GFO的电极化值仅为2.5μC cm^-2，Stoeffler基于第一性原理和现代极化理论计算了GFO的电极化强度为25μC cm^-2。然而这些数值均未在实验中得到验证。Katayama等发现掺杂Sc的GaFeO₃薄膜的漏电流会随着Sc的量增加而降低，并可以在室温下很宽的频率范围内获得明显的电滞回线。选择适当的元素进行阳离子的掺杂取代进行改性，提高自发极化强度和磁转变温度，降低漏电流，是提高其磁电性能的有效途径。

尽管现在已经有很多关于GaFeO₃系列多晶和薄膜的研究，但是还没有元素掺杂后获得优良室温铁电特性的GaFeO₃单晶的研究报道，主要是因为元素掺杂以后会引起晶体结构的变化，成分分布的变化，第二相杂质的析出，无法获得均质大块状单晶。本发明通过改良单晶制备工艺，提供了一种稳定生长Sc掺杂GaFeO₃系列单晶的制备方法，且由此方法制备出的Sc_xGa_2-x-yFe_yO₃(0＜x＜0.4，0.8＜y≤1.3)系列单晶无肉眼可见的宏观缺陷，均具有优良的晶体质量。这为探究其多铁物性、不同晶体方向的铁电性的本征特性和机理提供了研究基础，具有重要的意义。