近日，北京大學(xué)、桂林理工大學(xué)、北京理工大學(xué)等科研人員在A位有序鈣鈦礦氧化物CaCu3Fe2Ta2O12中觀測到獨特的磁結(jié)構(gòu)以及介電弛豫行為。相關(guān)成果以“DielectricrelaxationandmagneticstructureofA-site-orderedperovskiteoxidesemiconductorCaCu3Fe2Ta2O12”為題，發(fā)表于經(jīng)典化學(xué)期刊《InorganicChemistry》。博士研究生鄧建明為該論文第一作者。桂林理工大學(xué)劉來君教授與北京大學(xué)李國寶副教授為共同通訊作者。
近日，北京大學(xué)、桂林理工大學(xué)、北京理工大學(xué)等科研人員在A位有序鈣鈦礦氧化物CaCu3Fe2Ta2O12中觀測到獨特的磁結(jié)構(gòu)以及介電弛豫行為。相關(guān)成果以“Dielectric relaxation and magnetic structure of A-site-ordered perovskite oxide semiconductor CaCu3Fe2Ta2O12”為題，發(fā)表于經(jīng)典化學(xué)期刊《Inorganic Chemistry》。博士研究生鄧建明為該論文第一作者。桂林理工大學(xué)劉來君教授與北京大學(xué)李國寶副教授為共同通訊作者。具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物(ABO3)表現(xiàn)出非常豐富的物理性質(zhì)，為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理的研究提供了一個廣闊的舞臺。在過去的幾十年里，人們已經(jīng)在鈣鈦礦氧化物中發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)、龐磁電阻、電荷有序、軌道有序、金屬-絕緣體相變、鐵電性、多鐵性、巨熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、負(fù)熱膨脹等紛繁有趣的物理現(xiàn)象，對這些現(xiàn)象的研究，極大地推動了材料科學(xué)以及凝聚態(tài)物理的發(fā)展。在ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，A位和B位離子通常有著很大的差異。B位陽離子的排列在介電性能中起著至關(guān)重要的作用，因此在鈣鈦礦氧化物中引入B位陽離子極有可能設(shè)計具有新奇介電性能的新化合物。然而，常溫常壓下在A位和B位同時引入大半徑的過渡金屬離子往往比較困難。近期，北京理工大學(xué)與德國卡爾斯魯理工學(xué)院、桂林理工大學(xué)、北京大學(xué)等合作，在四重鈣鈦礦氧化物的合成和物性研究方面取得了新進(jìn)展。利用高溫高壓極端條件合成手段，首次合成出大尺寸的CaCu3Fe2Ta2O12四重鈣鈦礦氧化物(如下圖1所示)，并在其中發(fā)現(xiàn)了新奇的自旋磁結(jié)構(gòu)和異常介電弛豫行為。實驗結(jié)果表明，通過同步輻射X射線衍射、透射電子顯微鏡及中子衍射等測試，確認(rèn)了CaCu3Fe2Ta2O12為Im空間群，其中A位有序，而B位部分有序的四重鈣鈦礦(如下圖1和圖2所示)。通過低溫中子衍射測試及解析，確認(rèn)了CaCu3Fe2Ta2O12自旋磁結(jié)構(gòu)是由反鐵磁耦合的Fe3+自旋(3.09 mB/fu)和鐵磁耦合的Cu2+自旋(1.14 mB/fu)組成，導(dǎo)致磁有序溫度為150 K(如下圖2所示)。CaCu3Fe2Ta2O12的凈磁矩以Cu2+自旋磁矩為主。有趣的是，介電溫譜揭示了兩種不同的介電弛豫行為(如下圖3所示)。低溫介電弛豫主要來源于氧空位捕獲帶電載流子引起的類德拜弛豫，而高溫介電弛豫是由麥克斯韋極化機制所引起。這一研究為設(shè)計具有新奇的磁性能以及介電性能的新型鈣鈦礦氧化物提供了重要參考。
全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.0c03229
圖1 (a) CaCu3Fe2Ta2O12的晶體結(jié)構(gòu)圖，(b) 選區(qū)電子衍射圖，(c) 高分辨透射電子顯微鏡圖，(d) 同步輻射X射線衍射圖。
圖2 CaCu3Fe2Ta2O12在(a) 4 K和(b) 300 K時的中子衍射精修圖，(c) 4 K和300 K的低角度的中子衍射數(shù)據(jù)，其中藍(lán)色箭頭表示核衍射和磁衍射之間的差異。(d) CaCu3Fe2Ta2O12在4 K時的磁結(jié)構(gòu)。其中虛線坐標(biāo)軸表示晶格基矢量(a，b，c)，實線坐標(biāo)軸表示磁基矢量(aM，bM，cM)。
圖3 CaCu3Fe2Ta2O12在1 kHz和10 kHz時(a) 介電常數(shù)和(b) 介電損耗的溫度依賴性。
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