新型多铁性氧化物材料的设计合成及其机理研究

Multiferroic materials, showing two or more ordering parameters such as ferroelectric, ferromagnetic, and ferroelastic ordering, have been extensively studied for potential applications in “magnetic reading and electric writing” and "multi-state information storage". It is the goal for many researchers to find the multiferroics which can be used at room temperature and the mechanism of the multiferroic behaviors. In this project, a newly developing synthesis method, the topotactic reaction method, will be used to adjust the magnetic and electrical properties of various compounds, which may improve the magnetic ordering temperature and dielectric constants of the compounds. Therefore, more multiferroic compounds, which can be potentially used at room temperature, are expected to be synthesized. X-ray, electron, and neutron diffraction methods will be used to analyze the crystal and electric structure of these compounds, the magnetic and electric domains of the corresponding materials. Owing to the specific synthesis method, the structure of the obtained new compounds is more controllable, and the changing of magnetic and electric properties of these compounds may be easy to be tracked and studied. Thus, more useful experimental data can be obtained for the understanding of the mechanism of the multiferroic behaviors. Based on this, theoretical studies will be performed to understand the relationship between the structure and the properties of the obtained compounds, to further build up the model to understand multiferroic and to direct the synthesis of new compounds.

多铁性材料通常指同时具有电极化有序和磁有序的材料， 这类材料在"磁读电写"和"多态存储"上有着很强的潜在应用。寻找能够在室温附近使用的多铁性化合物以及多铁性的形成机理一直是各国科学工作者不懈努力的目标。本课题中利用近年来发展起来一种新的合成方法-拓扑反应法来调控各种化合物的磁性和极化特性，从而提高磁有序温度和介电常数, 以期获得室温附近可使用的多铁性化合物。我们将通过各种表征手段（X射线衍射，中子衍射，电镜等）对其原子结构和电子结构，磁畴和电畴进行研究。由于特殊的合成方法，本课题中获得的新化合物结构相对可控，其磁电性质变化也更有迹可寻，这为研究多铁性的形成机理提供了很好的实验数据。在此基础上，本课题将通过理论计算深入理解多铁性化合物的结构和性质的关系，试图建立简单的多铁性质模型，从而指导新型材料的合成与改良。

多铁化合物往往具有复杂的畸变结构,利用普通的粉末衍射数据经常会丢失重要的结构信息。我们在对TbMnO3，PbBiNb5O15，Y3Ti2FeOx等体系的研究中，充分利用了各种先进的表征技术，对其特殊的复杂结构进行了深入的研究，揭示了其相关性质的来源。..在TbMnO3这一重要的多铁体系中，我们首次发现了一个组成为Tb1-xMnyMnO3 (0.139>x>0.045, 0.121>y>0.011, x=0.853y+0.036)的固熔体，其中部分Mn占据Tb的格位，同时Tb的格位有空位存在。通过在3.5K时的粉末中子衍射谱图，从中可以分析出样品W1((Tb1-xMny)MnO3, x=0.089, y=0.063)在3.5K时具有q=(0.283, 0, 0)的非公度反铁磁有序， 而样品W2((Tb1-xMny)MnO3, x=0.122, y=0.102)则同时具有q=(0.283, 0, 0)的非公度反铁磁有序和公度的Pn’a21’倾斜反铁磁有序。这与其他报道的TbMnO3结果有着较大的区别，深入的研究还在继续。..在与北京科技大学邢献然老师合作的钨青铜PbBiNb5O15体系中,通过选区和三维电子衍射揭示了其超强的非公度衍射。结合同步辐射高分辨粉末X射线衍射和吸收边反常衍射,我们确定了高阶的卫星衍射主要来自于孔道内Pb，Bi的大振幅的有序波动。这种波动可部分归咎于Pb和Bi特有的孤对电子，这也揭示了该材料强的铁电驰豫性质的来源。..在研究新的氧化物体系Y3Ti2FeOx时，我们发现了一个复杂的非公度氧化物体系，其具有3+2维的非公度结构。通过结合三维电子衍射与高分辨粉末X射线衍射，我们确定了其超空间群为R-3m(a00)(0a0) (a=0.592)。在这种描述中，其结构变得非常简单，结构模型可以直接通过高分辨粉末X射线衍射建立。利用类似的结合三维电子衍射与高分辨粉末X射线衍射我们还对一些复杂的微孔材料进行了研究，如PKU-16， PKU-3等。