室温块状多铁单晶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种室温块状多铁单晶及其制备方法。所述单晶的化学组成为Sc

【技术实现步骤摘要】
室温块状多铁单晶及其制备方法
本专利技术涉及晶体生长及多铁功能材料领域，尤其涉及室温块状多铁单晶ScxGa2-x-yFeyO3(0＜x＜0.4，0.8＜y≤1.3)及其制备方法。
技术介绍
同时具有铁电性、铁磁性的多铁性材料近年来已成为凝聚态物理和材料科学的热门领域之一，室温下具有显著磁电耦合效应的单相多铁性材料，在传感器、驱动器和电制的磁性记忆存储器等电气部件制备工业中，具有重要的应用价值。利用数据存储的磁电耦合特性可发展新一代的磁电随机存储器。它既有磁性随机存储器在快速读取上的优势，也具有铁电存储器在反复读写耐久性上的优点。GaFeO3具有室温下的压电性(铁电性已在薄膜中得到证实)、低温下的亚铁磁性和显著的低温磁电耦合效应，是一种很有应用前景的多铁材料。GaFeO3属于非中心对称的正交结构，Pna21空间群。每个GaFeO3单胞包含两种不同类型的Fe3+和Ga3+共八个阳离子，分别用Fe1、Fe2和Ga1、Ga2来表示。Ga1是氧四面体，其他的都是氧八面体。事实上，Fe和Ga由于离子半径相近，Fe和Ga离子可以分布在四种任意位置。尽管在基态下理想的GaFeO3中，Fe1、Fe2的八面体结构具有反铁磁的自旋结构，室温下理论上净磁矩为0，然而理论和实验的研究均表明，由于Ga和Fe原子尺寸相近，Fe可以占据Ga2位，八面体中阳离子的无序和缺陷，使其具有了沿着c轴的净磁矩，从而具有了亚铁磁性。同时多余的Fe原子占据Ga2位，增加了Fe-O-Fe键的交换相互作用，可以获得更大的磁矩，从而导致了更大(高)的磁转变温度。在Ga2-xFexO3多晶和薄膜中，均证实了可以通过改变Ga和Fe的比例来调节其磁转变温度至室温以上。也有文献报道通过不同的制备方法来控制Ga和Fe位的无序来改变TC。同时，Fe1和Fe2的氧八面体扭曲使得Fe离子的中心位置发生了偏离，Fe离子的非中心对称结构产生了自发极化和铁电性。GaFeO3磁性和自发极化均来自于Fe原子，因而其具有很强的磁电耦合性质。对于GaFeO3多晶，漏电流一直是获得饱和电滞回线和自发电极化合理测量值的最大的阻碍。Arima首次估算了GFO的电极化值仅为2.5μCcm-2，Stoeffler基于第一性原理和现代极化理论计算了GFO的电极化强度为25μCcm-2。然而这些数值均未在实验中得到验证。Katayama等发现掺杂Sc的GaFeO3薄膜的漏电流会随着Sc的量增加而降低，并可以在室温下很宽的频率范围内获得明显的电滞回线。选择适当的元素进行阳离子的掺杂取代进行改性，提高自发极化强度和磁转变温度，降低漏电流，是提高其磁电性能的有效途径。尽管现在已经有很多关于GaFeO3系列多晶和薄膜的研究，但是还没有元素掺杂后获得优良室温铁电特性的GaFeO3单晶的研究报道，主要是因为元素掺杂以后会引起晶体结构的变化，成分分布的变化，第二相杂质的析出，无法获得均质大块状单晶。本专利技术通过改良单晶制备工艺，提供了一种稳定生长Sc掺杂GaFeO3系列单晶的制备方法，且由此方法制备出的ScxGa2-x-yFeyO3(0＜x＜0.4，0.8＜y≤1.3)系列单晶无肉眼可见的宏观缺陷，均具有优良的晶体质量。这为探究其多铁物性、不同晶体方向的铁电性的本征特性和机理提供了研究基础，具有重要的意义。无机化合物的单晶制备方法主要有：熔体法，溶液法，气相法，固相法。浮区法也叫垂直区熔法，是区熔法晶体生长的一种，属于熔体法晶体生长技术的一种。其作为一种高效的晶体生长方法近年来得到快速的发展，为一些熔点高、易挥发、易污染的晶体研究提供了一种新的方法和途径。本专利技术所使用的浮区法其加热源既可以是卤素灯也可以是半导体激光器，所以统称为浮区法。当使用卤素灯为加热源时，主要是利用椭球反射镜来聚焦卤素灯的光源，进行区域熔化。当使用激光器为加热源时，激光束直接聚焦在所需要加热熔化的材料上，进行区域熔化。由于没有坩埚对晶体的污染，并可通过CCD相机实时观察晶体生长状况，调整晶体的生长参数等优点，可以生长出质量较高的掺杂均匀的超导体、磁性体和铁电体等单晶体，是目前最优异的晶体生长方法之一。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供以下技术方案，获得具有室温多铁性的块状单晶ScxGa2-x-yFeyO3。一方面，本专利技术提供一种室温块状多铁单晶ScxGa2-x-yFeyO3，其中0＜x＜0.4，0.8＜y≤1.3。较佳地，所述室温块状多铁单晶ScxGa2-x-yFeyO3的磁转变温度为90～320K。较佳地，所述室温块状多铁单晶ScxGa2-x-yFeyO3在温度T＝150K时的电导率1×10-9≤σ≤1×10-5S/cm。较佳地，所述室温块状多铁单晶ScxGa2-x-yFeyO3的铁电极化值为5～25μC/cm2。本专利技术通过调整Sc、Ga及Fe的含量，制备出磁转变温度达室温以上的块状多铁单晶。在一些实施方式中，测得室温块状多铁单晶ScxGa2-x-yFeyO3的磁转变温度最高可达320K。较佳地，所述单晶的尺寸为另一方面，本专利技术还提供上述室温块状多铁单晶ScxGa2-x-yFeyO3的制备方法，包括以下步骤：按照化学计量比称取Ga源、Fe源和Sc源，混合、烘干得到原料混合物；将所述原料混合物预烧后压制成型，得到料棒；将所述料棒进行烧结，得到多晶棒；利用浮区法从所述多晶棒生长ScxGa2-x-yFeyO3(0＜x＜0.4，0.8＜y≤1.3)单晶。本专利技术采用浮区法，制备得到ScxGa2-x-yFeyO3(0＜x＜0.4，0.8＜y≤1.3)单晶，从而获得磁转变温度在室温以上的多铁材料。由于器件的小型化、集成化，对晶体的尺寸要求越来越小，而质量要求越来越高。浮区法是一种高效的晶体生长方法，其相比于其他晶体生长方法例如坩埚下降法、提拉法等具有明显的优势：生长周期短，效率高；无需坩埚，无污染；可视化操作，易于控制，因而适用于高温难熔氧化物和金属间化合物的晶体生长。本专利技术所述晶体生长方法有效防止晶体成分的偏析，掺杂均匀，易于获得纯相ScxGa2-x-yFeyO3(0＜x＜0.4，0.8＜y≤1.3)单晶体。较佳地，步骤(2)中，所述原料混合物的预烧温度为1200～1350℃，预烧时间为10～15h；预烧之后再次研磨并压制成型得到料棒。较佳地，步骤(3)中所述料棒的烧结温度为1300～1450℃，烧结时间为10～15h；料棒烧结完成后进行单晶生长。较佳地，所述浮区法的加热源包括卤素灯或激光；利用浮区法从所述多晶棒生长ScxGa2-x-yFeyO3单晶的步骤包括：所述多晶棒作为上料棒，所述多晶棒或籽晶作为下料棒，将上料棒吊挂于晶体生长炉的上端，将下料棒固定在晶体生长炉的下端，装好后用密封管密封，冲氧气至10个大气压；设置升温制度至所述上料棒和下料棒开始融化，调整所述上料棒和所述下料棒的旋转速度和旋转方向，至所述上料棒和所述下料棒熔化至所需要的状态后对接，然后稳定10-30min，设置晶体生长速度，开始晶体生长；以及，晶体生长完成后，降温至所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.室温块状多铁单晶，其特征在于，所述单晶的化学组成为Sc

【技术特征摘要】
1.室温块状多铁单晶，其特征在于，所述单晶的化学组成为ScxGa2-x-yFeyO3，其中0＜x＜0.4，0.8＜y≤1.3。


2.根据权利要求1所述的室温块状多铁单晶，其特征在于，当Fe含量y=1.3时，其磁转变温度Tc=320K。


3.根据权利要求1所述的室温块状多铁单晶，其特征在于，当温度T=150K：x=0，y=1时，电导率σ=1×10-5S/cm；x=0.25，y=0.875时，电导率σ=1×10-9S/cm。


4.根据权利要求1所述的室温块状多铁单晶，其特征在于，Sc0.2Fe0.9Ga0.9O3单晶体的剩余极化值为25μC/cm2，和由第一性原理的现代极化理论计算出来的GFO单晶的电极化强度25μC/cm2基本一致。


5.根据权利要求1所述的室温块状多铁单晶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照化学计量比称取Ga源、Fe源和Sc源，混合、烘干得到原料混合物；
（2）将所述原料混合物预烧后压制成型，得到料棒；
（3）将所述料棒进行烧结，得到多晶棒；
（4）利用浮区法从所述多晶棒生长ScxGa2-x-yFeyO3单晶。


6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述原料混合物的预烧温度为1200~1350℃，预烧时间为10~15h；预烧之后再次研磨并压制成型得到料棒。


7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：余野建定，王慧，李勤，张阳，夏朝阳，方婧红，倪津崎，汪超越，贺欢，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31