Mn掺杂SmFeO3的磁性研究
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本实验采用传统固相烧结工艺制备了SmFe1-xmnxO3（x=0，0.1，0.2，0.3）多铁陶瓷样品，研究不同含量的Mn掺杂对样品的微观结构、以及磁性能的影响。X-射线衍射谱显示样品均已形成简单钙钛矿相，磁性能测量结果显示掺杂后样品的磁滞回线形状发生明显改变并且饱和磁化强度随着掺杂量的增加而减小。样品的磁转变温度随着掺杂量的升高而逐渐降低。
人们对钙钛矿型 ABO3 氧化物的结构特征、电磁性质等方面的探索和研究始于上个世纪50年代 [1]，但是受限于当时的测试条件以及受关注程度较小，使得这类材料沉寂了几十年，直到1993年在钙钛矿La1-xCaxMnO3-δ系列中发现巨磁电阻效应（CMR），才使得钙钛矿型氧化物得到广泛的关注和深入研究。RFeO3系列由于磁性和铁电性来源于同一结构可能会产生较强的磁电耦合而被人们持续研究 [2]，smfeo3是其典型代表之一。但是目前的研究中SmFeO3并没有表现出人们期望中的强的磁电耦合，因此我们希望通过其他方法来增强它的耦合。金属离子掺杂是最直接也是最有效的增强磁电耦合的方法之一 。
文献报道Mn掺杂YFeO3中出现了低温反铁磁向高温弱铁磁转变的相变，并认为这一相变可以用双交换机制以及JahnCTeller效应来解释。Mn 掺杂还可能会导致磁转变温度的降低，考虑到该类材料中，在磁转变温度附近往往会出现较明显的磁电效应。而SmFeO3 和 SmMnO3 都属于正交晶系，Pbnm 空间群，又由于 Fe3+和 Mn3+离子半径相近而不会引起晶格发生明显变化，如果把这两种离子按一定比列进行配比有可能会产生强烈的磁电耦合。
一、样品的制备
采用魍彻滔喾从ι战岱ㄖ票SmFe1-xMnxO3（x = 0，0.1，0.2，0.3）陶瓷，选用原料为Fe2O3 （分析纯99 %）、Sm2O3 （分析纯99 %）、Sm2O3 （分析纯99 %）的高纯粉末，首先在900 ℃ - 1040 ℃温度范围内预烧结6 h，然后在10 MPa 的压强下压成直径为10 mm的圆片，最后在1300-1380 ℃空气中烧结10 h
二、实验结果与讨论
1.样品的物相分析
图1显示了SmFe1-xMnxO3在室温下的X射线衍射图谱（XRD），经与正交晶系的SmFeO3标准谱 （JADE39-1490）对照之后，将这些峰的密勒指数标出。通过对比，我们可以发现掺杂前的峰和掺杂后的峰能够很好的吻合，这说明Mn掺杂并没有改变样品的钙钛矿结构。分析原因主要有以下两点：（1） Mn3+跟Fe3+具有相同的化合价；（2） Mn3+（r = 0.66nm） 离子半径跟Fe3+ （r = 0.64nm）离子半径非常接近，所以样品的结构也相似。
2.样品的磁性测量结果
图3显示的是SmFe1-xMnxO3 （x = 0，0.1，0.2，0.3）陶瓷样品在室温下的磁滞回线。从图中我们可以看出样品未掺杂前是典型的反铁磁回线，随着Mn的掺入样品的磁滞回线呈现出明显的变化，变化后的回线类似于铁磁回线，同时，我们发现样品的+Mr和-Mr不是严格对称的，这可能是Mn的掺入改变了样品的磁结构，Mn3+和Fe3+综合作用的结果。此外，对比所有回线我们可以看出，随着Mn掺杂量的增加，样品的饱和磁化强度随之降低。我们认为，这是因为随着Mn掺杂量的增加，Fe3+-O-Fe3+的反铁磁作用减弱的结果 [9]。
图4给出了SmFe1-xMnxO3 样品的M - T曲线，外加磁场为500 Oe，温度变化范围为25 - 500 ℃，从图中可以看出随着Mn掺杂量的增加，样品的磁相变温度向低温方向移动，这一结果与文献报道相一致 [3]。分析原因，我们认为在Mn掺杂SmFeO3中，随着Mn掺杂量的增加，Fe3+-O-Fe3+的反铁磁作用减弱，所以样品的反铁磁奈尔温度逐渐降低。另外我们发现样品的自旋重组温度随着Mn含量的增加也向低温方向移动，当掺杂量为0.2时自旋重组现象消失，我们初步认为这是由于Mn掺杂破坏了材料中Fe-O-Fe的反铁磁作用。
三、小结
用传统的固相烧结法制备了SmFe1-xMnxO3 （x = 0，0.1，0.2，0.3）多晶陶瓷样品。XRD图谱结果显示所有样品均已成相，没有发现杂相，Mn掺杂没有改变样品的晶体结构。磁性测量结果显示，随着Mn的掺入样品的磁滞回线发生明显改变，并且+Mr与-Mr不对称，我们认为这是Fe3+和Mn3+综合作用的结果。同时，随着Mn掺杂量的增加样品的奈尔温度不断降低，我们认为这是由于Mn的掺入Fe-O-Fe反铁磁作用减弱的结果。
参考文献：
[1]E. O. Wollan， and W. C. Koehler， Phys. Rev. 100， 545 （1955）.
[2]D. L. Fox， and J. F. Scott， J. Phys. C： Solid State Phys. 10， L329 （1977）.
[3]P. Mandal， V. S. Brinu， Y. Sundarayya， C. Narayana， A. Sundaresan， and C. N. R. Rao， Phys. Rev. Lett. 107， 137202 （2011）.