应变对YBaCuFeO5–BaTiO3复合材料中磁性和介电特性的结构变形影响

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Strain mediated structural deformity on magnetic and dielectric features of YBaCuFeO5 – BaTiO3 composites

　　

A.K. 萨胡 | 苏贾塔·库马里·雷 | 帕亚拉·萨胡 | 阿努帕玛·帕蒂 | 维沙尔·库马尔 | 桑杰·辛格 | S. 达什

印度奥里萨邦罗尔凯拉国家技术学院物理与天文学系，邮编769008

摘要

我们研究了BaTiO₃改性的YBaCuFeO₅复合材料[(100-x) YBaCuFeO₅ - (x) BaTiO₃（x ≤ 10）的结构、磁性和介电性能演变。Rietveld精修分析和Williamson-Hall方法显示，当仅加入1%的BaTiO₃时，晶格会发生约40%的应变，随后在更高载荷下会出现部分松弛。这种应变使非共格-共格磁转变温度降低，并在低掺杂组合物中诱导出弱铁磁性，同时伴随着ZFC-FC分岔和矫顽力的增强。当BaTiO₃含量为1%时，介电常数增加了两倍，这是由于Maxwell-Wagner界面极化的增强；而温度依赖的导电性变化表明，随着BaTiO₃含量的增加，从相关能级跃迁转变为重叠的大极化子隧穿。结构畸变、磁相调节和介电响应的改善为可调介电元件和应变响应磁传感器应用提供了可行的途径。

引言

在氧缺陷双钙钛矿YBaCuFeO₅（YBCFO）中，由磁性驱动的极化现象吸引了众多多铁性材料和自旋电子学领域的研究人员，因为其螺旋磁性的稳定性高达令人印象深刻的240 K（T_S ~ 240 K）[1], [2], [3], [4]。这种螺旋性诱导的极化提高了其相对于其他低T_S类型的II类材料（如Ni₃V₂O₈, YMn₂O₅, MnWO₄, DyMnO₃, TbMnO₃（T_S < 100 K）[5], [6], [7], [8]）的应用价值。YBCFO是一种氧缺陷层状双钙钛矿，其通式为AA'BB'O₅，其中Y³⁺和Ba²⁺占据A/A′位点，Fe³⁺和Cu²⁺位于B/B′子晶格中。从结构上看，该化合物属于四方非中心对称空间群P4mm。B位点的阳离子采用四方锥形（Fe/CuO₅）配位方式，这些单元沿c轴周期性堆叠形成角共享的（Fe/Cu）O₉双锥体，具有典型的“领结”几何结构。Y³⁺中间层将相邻的双锥体分隔开，而Ba²⁺离子则参与角共享的顶点氧排列。从磁性角度来看，YBCFO表现出共格（CM）的反铁磁（AFM）相，这种相可以稳定到约440 K（T_N1）。冷却过程中，这种相在约240 K（T_N2）附近转变为非共格（ICM）的螺旋AFM态，这种非共格相沿c轴调制。值得注意的是，精确的转变温度可能因合成条件不同而在175至240 K之间变化[1], [9], [10], [11]。

在过去几十年中，对该化合物的关键研究主要集中在将T_N2转变为室温或更高温度，以稳定螺旋相以实现高效应用。一些研究人员在样品制备过程中改变了冷却速率，从而诱导出阳离子和无序结构，使转变温度超过300 K[12], [13]。此外，通过阳离子替代还可以诱导结构变化，进而改变双锥体的长度/锥体间距，从而改变磁性离子（Fe³⁺-Cu²⁺）之间的交换相互作用[14], [15], [16], [17]。尽管目前的研究已经能够在室温以上稳定非共格结构，但由此产生的电极化强度（高达0.64 μC/cm²）在实际应用中仍被低估[1], [11]。此外，在低温（90–300 K）范围内，YBCFO的巨大介电常数（约为10⁴）主要是由于界面极化效应[18], [19]。

在这方面，除了阳离子替代之外，通过复合材料中的其他相引入界面应变可能是实现YBCFO结构畸变的另一种可行方法。据作者所知，关于YBCFO复合材料的类似研究很少，除了我们之前的工作[10]。为了扭曲共线和非共线磁排列并提高介电常数，BaTiO₃（BTO）被认为是适合引入YBCFO基体的相。BTO因其铁电性质（ε_r ~ 1900和ρ ~ 10⁹ Ω cm，在300 K时损耗低）而被广泛用作复合材料的次要相[20], [21], [22]。另一方面，也有研究小组在复合材料中使用抗磁性的BTO来诱导晶体和磁阵列的变形，例如在BiFeO₃中，通过扭曲环状磁相来诱导弱铁磁性[23], [24]。因此，本研究将探讨BTO相对YBCFO-BTO复合材料的结构、非共格-共格磁相以及介电性质的影响。需要注意的是，BTO的浓度将限制在总重量的10%以下，以避免其性质掩盖YBCFO的特性。

章节摘录

实验细节

为了制备系列复合材料（100-x) YBCFO - (x) BTO（x = 0, 1, 5, 10, 100），采用了固态合成方法。首先分别制备YBCFO和BTO粉末。YBCFO样品的详细制备过程在其他地方有描述[10]。对于BTO粉末，使用分析级前驱体（纯度>99%），将BaCO₃和TiO₂在丙酮介质中研磨6小时，然后在1323 K下煅烧4小时，最后在1473 K下烧结2小时。制备好的YBCFO和BTO粉末

结构与形态分析

为了检查复合材料的相结晶性，图1(a)展示了室温下的XRD图谱。系列样品的端成员YBCFO和BTO的布拉格峰分别与JCPDS卡片编号#89–6235和#89–1428匹配。这两种材料都属于四方对称性，空间群为P4mm。YBCFO和BTO的选定晶面在图1(a)中进行了标示。复合材料的XRD图谱中没有出现通常由于其他相而产生的不需要的峰

结论

总结来说，从XRD图谱的Rietveld精修中提取的结构参数表明，界面应变导致了材料的变形，这一变形通过WH图进行了量化。当YBCFO基体中加入1%的BTO后，应变增加了40%，并且这种增加随着浓度的增加而逐渐增强。形态分析表明颗粒混合均匀，元素组成在误差范围内保持一致。ICM-CM转变（T_N2^?）的移动表明

CRediT作者贡献声明

A.K. 萨胡：撰写——原始草稿、方法论、实验研究、数据分析、概念化。苏贾塔·库马里·雷：方法论。帕亚拉·萨胡：方法论。阿努帕玛·帕蒂：方法论。维沙尔·库马尔：方法论。桑杰·辛格：方法论。S. 达什：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、实验研究、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。