过渡金属掺杂YFeO3晶体生长与改性研究

YFeO3晶体作为一类新型的磁光材料，因其优异的磁光特性、超快速自旋重取向等特殊物理现象已成为近年来国际上的研究热点。通过对B位的Fe3+进行适量的过渡金属掺杂，会产生局部的亚铁磁结构，使YFeO3的磁性增加，从而达到磁光效应增强的效果。但是由于它的熔体特性、结晶习性等问题，使得高质量的YFeO3晶体难以获得，且Mn3+、Cr3+等过渡金属离子的掺杂更增加了生长的难度。本项目将采用浮区法生长Mn、Cr掺杂的YFeO3晶体，对晶体组分进行设计，研究掺杂离子对晶体生长的影响，优化晶体生长工艺参数，生长高质量晶体；研究掺杂离子及掺杂量对晶体磁性能、磁光性能的增强作用，建立组分-性能之间的关系，选择合适的掺杂离子和掺杂量，最终获得高性能的掺杂YFeO3磁光晶体。

以YFeO3为代表的钙钛矿结构ReFeO3作为一种重要的多功能晶体，不仅表现出优异的磁光性能和快响应特性，近年来，激光诱导超快自旋重取向，多铁及强磁电耦合等效应也在该体系化合物中被先后发现，成为目前备受关注的一类新材料。本项目在国家自然科学基金的资助下，主要围绕过渡金属掺杂YFeO3晶体，利用该体系独特的磁结构和多种磁相互竞争的特点，通过过渡金属与Fe3+发生较强的磁性耦合，开展了一些列颇为有意义的研究工作，实现了掺杂离子对其磁学、磁光等性能的调控作用，有效推动了磁光增强效应和磁相变诱导磁电效应等方面的深入研究。主要研究成果如下：1、系统研究了YFeO3晶体的磁介电效应，发现该体系的介电驰豫和巨磁电容效应，为新型磁电耦合材料探索注入新的力量。YFeO3晶体在低温(170-300 K)和高温(370-520 K)区域出现的介电驰豫分别是由于电子和氧空位被激发造成的，而巨磁电容效应则是由于外磁场激发电子在Fe2+-O-Fe3+之间的跃迁，提高其直流电导造成的。2、采用光学浮区法，经过工艺不断优化，成功生长了Mn掺杂的YFeO3晶体和DyFeO3晶体。3、过渡金属掺杂有效调控了该体系的磁特性，例如Mn掺杂直接诱导YFeO3晶体和DyFeO3晶体在室温附近出现自旋重取向现象，这对探索室温多铁性材料具有非常积极的推动作用；4、采用交流磁化率开展ErFeO3晶体的自旋重取向机理研究，发现了强磁场诱导非连续自旋重取向等有趣行为，也说明外磁场可以调控该体系的自旋重取向等复杂相变过程，基于这种行为，有望开展新型磁开关等器件的设计研究。