稀土钙钛矿型氧化物的电子结构与磁学性能分析_郝丹辉.pdf

26 电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月Electronics 电子学磁性指的是某种材料的一种磁性状态。在铁磁性物质内部，存在很多未配对的电子，这些电子的自旋由于它们之间的相互作用在某些区域表现出大致按同一方向排列，这一现象即为铁磁性。铁磁性材料的磁性能一般表现为磁饱和性、磁滞性和高导磁性等，目前铁磁性材料主要应用于制造电动机、磁性电子元件、变压器制造等方面。（4）反铁磁性。反铁磁性又称为反强磁性，也属于磁性材料的磁学性质的一种，指的是由于物质中未配对的电子与其相邻电子自旋磁矩方向相反，所以表现出磁化率接近于0的现象。近年来钙钛矿型稀土氧化物材料由于其丰富的光学、电学和磁学性能吸引了人们的极大关注，被广泛应用于驱动器、传感器、微电子及探测器等多个领域5。尤其对于钙钛矿型稀土镍酸盐RNiO3（R为稀土离子，RLa）体系，因其具有许多独特的光学性质、陡峭的金属-绝缘态相变和优越的磁学性能等，使其成为用于研究强关联体系中的量子临界现象的热门磁性材料，同时在热致变色器件、传感器、开关等方面有着重要的应用价值6。2 钙钛矿材料晶体结构钙钛矿型氧化物材料的优越性质与其内部结构有着重要的关系，其化学通式为ABO3，晶体结构40 引言磁学，又称为铁磁学，是属于现代物理学的一个重要分支。原则上所有物质都具有与其所处的热力学条件相对性的某些磁性特征。物质的磁性是普遍客观存在的，而且又是多种多样的，因此得到广泛的研究和应用。目前磁性材料作为电子工业中重要的基础功能材料，被广泛应用于通信、航空航天、电子元器件汽车、和计算机等领域，已成为科技创新研发的热点学科1,2，越来越多的新型磁性材料被发现和应用，其中在无机材料的研究范畴中，钙钛矿型材料就是目前热门的研究对象3。1 研究背景钙钛矿材料的磁性分类4。（1）顺磁性。顺磁性是指材料对磁场响应很弱的磁性，是指当处于外加磁场中时，物质中的未配对的电子会趋向于沿着外磁场方向排列所表现出来的性质，较为常见的顺磁体有过渡金属的盐类、稀土金属的盐类和氧化物。（2）抗磁性。抗磁性也是一种弱磁性，对于多数物质来说，其具有的抗磁性往往被其顺磁性掩盖。抗磁性的本质其实就是对电磁感应定律的反映。当物质处在外加磁场中时，外加磁场使电子轨道动量矩发生变化，从而产生一个与外磁场方向相反的附加磁矩，表现出抗磁性。（3）铁磁性。铁基金项目：西安建筑科技大学华清学院大学生创新创业训练计划项目（Y202213679002）。作者简介：郝丹辉，西安建筑科技大学华清学院，讲师；研究方向：电子功能性材料。收稿日期：2022-07-27；修回日期：2023-04-12。摘要：阐述稀土钙钛矿型氧化物的电子结构与磁学性能的物理特性、研究现状的分析，为进一步发展和推广到压电、多铁、离子导电、超导等新型钙钛矿材料领域，提供参考依据。关键词：稀土钙钛矿，氧化物，电子结构，磁学性能。中图分类号：O482 文章编号：1000-0755(2023)04-0026-02文献引用格式：郝丹辉，夏龙耀，王中伟，彭列涛，刘沛基，胡宇青.稀土钙钛矿型氧化物的电子结构与磁学性能分析J.电子技术,2023,52(04):26-27.稀土钙钛矿型氧化物的电子结构与磁学性能分析郝丹辉，夏龙耀，王中伟，彭列涛，刘沛基，胡宇青（西安建筑科技大学华清学院，陕西 710043）Abstract This paper describes the physical characteristics and research status of the electronic structure and magnetic properties of rare earth perovskite type oxides,providing a reference for further development and promotion to the field of new perovskite materials such as piezoelectricity,multi iron,ionic conductivity,superconductivity,etc.Index Terms rare earth perovskite,oxide,electronic structure,magnetic properties.Analysis of Electronic Structure and Magnetic Properties of Rare Earth Perovskite Type OxidesHAO Danhui,XIA Longyao,WANG Zhongwei,PENG Letao,LIU Peiji,HU Yuqing(Huaqing College,Xian University of Architecture and Technology,Shaanxi 710043,China.)电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月 27Electronics 电子学如图1所示，其中O表示氧阴离子，A和B代表半径不相同的阳离子，A位离子通常代表稀土元素或碱土金属，B位离子通常代表过渡金属元素或者某些主族金属元素，一般情况下B的离子半径要小于A位离子。理想情况下，钙钛矿型氧化物各离子半径满足式（1）的关系。（1）B阳离子与O阴离子结合成BO6八面体，使得钙钛矿材料呈现出立方结构，从而组成钙钛矿晶体的基本功能单元。但这只是理想下的情况，实际情况下，式（1）中的平衡关系常常被打破。这里要引入一个重要的参数t，被称为“容忍因子”，如式（2）所示。（2）当0.77t1.05时，钙钛矿结构常常表现为近似六方多晶结构，并产生不稳定铁电性；当t0.77时，将不再是钙钛矿结构，而是以铁钛矿结构或者刚玉结构存在7。例如稀土镍酸盐RNiO3体系，t值在0.771.05之间，从而呈现出较为稳定的钙钛矿型结构。3 稀土钙钛矿型氧化物的磁学性能研究现状钙钛矿型稀土镍酸盐RNiO3体系是一种典型的磁电同源的强关联电子材料，近年来由于独特的磁学性能而备受关注。2013年，来自美国阿肯色大学的Jak Chakhalian教授科研团队对超薄NdNiO3薄膜的磁学性质进行了系统的研究，他们将NdNiO3薄膜的衬底晶格常数由0.3692mm增加到0.3955mm，同时改变外部应力环境及温度，则实验结果表明NdNiO3呈现出顺磁绝缘相，反铁磁绝缘相等8。2015年包头师范学院的王文清等采用X射线衍射（XRD）仪、物性测量系统以及超导量子磁强计对稀土掺杂钙钛矿锰氧化物的磁性和电性进行了研究，得到了钙钛矿锰氧化物(La0.975Gd0.025)4/3 Sr5/3Mn2O7的晶体结构，同时结果表明在居里温度附近该晶体会呈现出明显的磁熵变9。2016年内蒙古科技大学的万素磊等对立方钙钛矿锰氧化物Nd0.5Sr0.3Ca0.2MnO3多晶样品的结构和磁性进行了探索研究。此外该研究团队还对Eu掺杂层状钙钛矿锰氧化物 Nd1.2Sr1.8Mn2O7多晶样品的磁性进行了定量研究。结果表明，处于低温部分的多晶系列样品。Nd1.2-xEuxSr1.8Mn2O7(x=0,0.05,0.1)，因为铁磁相与反铁磁相相互竞争，会出现ZFC-FC明显分现象，从而形成非传统的团簇玻璃态，而磁化强度也随着 Eu 掺杂量的增加而降低，这些均为获取稀土钙钛矿型氧化物的磁性机理提供更多的参考1。4 结语本文综合介绍了稀土钙钛矿型氧化物的结构与磁学性质的研究现状，为进一步发展和推广到压电、多铁、离子导电、超导等钙钛矿材料领域提供良好的参考依据。目前，关于稀土掺杂钙钛矿型材料的各种物理性能的内在机制研究还处于初级阶段，探索新型稀土功能材料，例如本文中探讨的钙钛矿型材料，需要对稀土离子与材料的结构、晶体结构与其电学、光学、磁学等性质之间的内在联系、各物理性能之间的机理关系等进行更深入的研究，从而不断改善稀土功能材料的性能，研发出更多新型的稀土功能材料。参考文献1 万素磊.稀土掺杂钙钛矿锰氧化物的磁性和电性研究D.内蒙古：内蒙古科技大学包头师范学院，2016.2 黄春明.钙钛矿氧化物La0.5Ba0.5MnO3的多格位掺杂及其晶体结构与磁、电性质研究D.内蒙古：内蒙古工业大学，2017.3 胡家乐,薛冬峰.稀土离子特性与稀土功能材料研究进展J.应用化学,2020,37(03):245-255.4 李晓盼.钙钛矿型氧化物LaMnO3及其掺杂系列的结构与性能研究D.河北：河北大学，2019.5 孙倩.稀土金属氧化物和钙钛矿材料的电化学及磁性的第一性原理研究D.河北：河南师范大学，2018.6 张艺腾.稀土镍酸盐外延异质结构的制备及金属-绝缘体转变性能研究D.山东：青岛大学，2019.7 邵涛.Nd1-XYXNiO3/LaAlO3外延薄膜的金属-绝缘体相变D.安徽：中国科学技术大学，2016.8 胡昌.钙钛矿型稀土镍酸盐 RNiO3 薄膜光电性质的研究D.黑龙江：哈尔滨工业大学，2020.9 王文清,王志国,周敏,郑琳,金香,张雪峰,赵建军.稀土掺杂钙钛矿锰氧化物(La0.975Gd0.025)4/3 Sr5/3Mn2O7的磁性和电性研究J.内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版),2015,44(01):39-43.图1 钙钛矿型晶体结构