含铋的复杂氧化物体系中新型多铁性材料的开发研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
21171178
项目类别：
面上项目
资助金额：
50.0万
负责人：
杨韬
依托单位：
重庆大学
学科分类：
B0502.无机功能材料化学
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
丛日红；张怡；夏美荣；张彩霞；尹东光；张静静；
关键词：
晶体结构氧化物相图多铁性

项目摘要

多铁性材料是当前凝聚态物理和材料学的热点研究领域，尤其是在室温下同时具有铁电性和铁磁性的材料是人们追逐的焦点。本项目的研究即是有针对性地在含Bi3+的复杂氧化物体系中寻找新型多铁性材料。近年来人们期望在磁阻挫体系中寻找具有较大磁电耦合作用的多铁性材料。申请人在前期的研究中首次发现了复杂氧化物BiMnFe2O6，通过粉末X-射线衍射确定其晶体结构属于新的氧化物结构类型，具有强烈的磁阻挫效应，且在212K出现非公度螺旋型磁结构。本项目的研究一方面是对BiMnFe2O6进行掺杂以期使之表现出多铁性，并通过多样化的合成手段寻找其同构化合物，另一方面是利用含有孤对电子的Bi3+在结构化学方面的特异性，研究含Bi3+的多元金属相图体系，寻找新的化合物甚至新的结构类型，并期望得到室温下的多铁性材料。

结项摘要

本项目计划以含Bi的氧化物为研究对象，通过固体化学的方法寻找新化合物，研究并开发具有多铁性的材料。本项目的初始立足点是在负责人前期发表的BiMnFe2O6化合物基础上，通过掺杂进行离子价态的调节进而调控其磁结构，最终实现磁诱导的电极化。事实上，我们通过研究发现BiMnFe2O6是一个新颖但非常特殊的结构类型，虽然可以接受较多种类型的离子掺杂，包括碱金属、碱土金属、稀土离子、过渡金属等，但是掺杂量较小，因此在常压合成条件下难以实现从反铁磁性到铁磁性的转变，另外其半导体性也阻碍其表现出铁电性。具体而言，我们确定了BiMnxFe3-xO6固熔区间为0.9 ≤ x ≤ 1.3；通过Ca2+对Bi3+的掺杂，迫使部分Mn3+成为Mn4+，通过Mn3+-O-Mn4+铁磁性双交换的引入使得样品在室温条件下呈现弱铁磁性。由于原计划出现较大难点，因此我们提出研究与原计划相关的一些体系，包括：对含Bi的氧化物半导体Bi2Ga4O9进行Fe离子掺杂，实现在可见光条件下催化分解纯水；通过Pb和Fe离子掺杂，调控准一维体系SbCrSe3的电输运和热传导行为，最终优化其热电优值，并通过声子谱的计算解释其超低晶格热传导的机理；发现二维层状体系Cr2Ge2Te6本征的优异热电行为，通过分析提出在二维体系中寻找高对称性结构，有希望获得高的功率因子以及低的热传导，达到超高热电优值的思路；对一类极性结构体系（俗称“114”氧化物）的离子体积大小和成键的调控，研究其对称性的演变规律，为今后在此极性体系中实现铁电和铁磁做必要的知识储备。总体而言，我们在项目执行期内努力按照原计划进行对含Bi的复合氧化物研究，尤其是对BiMnFe2O6的各种结构调控，但是无法达到预期目标，因此在剩余的时间内将研究内容拓展至含Bi的半导体材料，甚至不含Bi的热电型金属间化合物，以及极性“114”氧化物结构对称性随离子和成键变化的演变规律。本项目坚持以固体化学为研究方法，将结构和性能的关系作为研究主线，获得了不错的研究结果。