多铁TbMn1-xFexO3晶体材料的制备与表征

Multiferroic materials have been increasingly studied in recent years due to the possibility of substantial coupling between the ferroic properties within a single phase. However, the underlying magnetoelectric coupling mechanism is not clearly understood and needs to be investigated in depth. TbMnO3 is one of typical multiferroics, and has spiral spin systems and its ferroelectricity mechanism is complicated. It was founded that there is a new magnetoelectric coupling phase in low temperature, and Tb dominates in the formation of the new phase based on our previous Neutron diffraction study of TbMnO3. It contradicts with other reports. To clarify this, in this project different Fe doped TbMn1-xFexO3 crystalized samples will be synthesized by a traditional solid state reaction method and PbO flux method, and the magnetic structure is manipulated by doping Fe into Mn sites. The impact of the Fe doping on magnetic structure and interaction between ions for TbMn1-xFexO3 in low temperature will also be investigated by materials characteristics measurement and the first-principles calculation，furthermore, the role of Tb in magnetoelectric coupling will be analyzed.

多铁材料由于具有磁电耦合的特性而受到人们广泛的关注，关于多铁体系中磁电耦合的机制仍有争议，有待深入研究。TbMnO3 是一种典型的多铁材料，在低温下具有螺旋状磁结构，铁电极化的机制较为复杂，申请人所在研究组前期关于TbMnO3的中子衍射研究发现，在低温下存在一种新的磁电耦合相，认为Tb在这种新相的形成过程中起到了主导作用，这与目前文献报导关于TbMnO3 多铁机制存在较大分歧，为了进一步验证我们的结论，本项目分别利用固相烧结法和助熔剂法（Flux）制备一系列不同Fe掺杂的TbMn1-xFexO3晶体材料，分析助熔剂对单晶生长的影响。研究掺杂对单晶晶体结构和磁结构的影响规律。结合材料物性测量和第一性原理计算来研究不同掺杂对低温下磁结构和各个离子之间耦合作用的影响规律，进而分析Tb在磁电耦合中的作用，试图给出一个明确的解释。

关于多铁材料中磁电耦合的研究是目前科研领域的一个热点，但是多铁体系中磁电耦合的机制仍有争议，有待深入研究。尤其是多铁性TbMnO3材料，在低温下具有螺旋状磁结构，铁电极化的机制较为复杂。本项目利用固相烧结法制备一系列不同Fe、Co、Nd掺杂的TbMnO3晶体材料，研究掺杂对晶体结构和磁结构的影响规律。结合材料物性测量和第一性原理计算来研究不同掺杂对低温下磁结构和各个离子之间耦合作用的影响规律，进而分析Tb在磁电耦合中的作用。本项目主要开展了以下几个方面的工作：1、利用固相烧结法分别制备了Fe、Co、Nd掺杂的TbMnO3晶体材料，并对其进行晶体结构进行分析；2、对于TbMn1-xFexO3：随着Fe含量的增加，晶格常数a和c变大，而b减小；TbMn1-xFexO3的转变温度随着x的增大而变大，体系中TbMn0.5Fe0.5O3的激活能最小；3、对于TbMn1-xCoxO3：在92K时发现有一变磁现象，归因于材料中铁磁有序和反铁磁有序共存和竞争；体系中TbMn0.5Co0.5O3相比TbCoO3和TbMnO3具有最小的激活能，表明其导电性更好；4、对于TbMn1-xNdxO3：发现磁序起源于Mn和Tb亚晶格，Tb的磁序既对低磁场也对化学掺杂敏感。在低温4K下，磁场大于2.2T时可以完全破坏Tb的磁序。Nd的掺杂使M-O键长和Mn-O-Mn键角发生了明显的变化，随着Nd含量的增加，Tb的磁序被极大地抑制。这个发现对多铁TbMnO3材料中磁电耦合效应的起源提供了很好的解释；5、利用第一性原理研究TbMnO3、TbFeO3和TbMn1-xCoxO3材料的晶体结构和电子结构。在本项目的资助下，总共发表SCI论文 10 篇，获得授权发明专利3项，新申请发明专利14项。参加国内外学术会议各1次，协助培养在读硕士研究生 2名，毕业研究生 1名，本科毕业生3名。