(PbTiO_3)_(1-x)-(CoFe_2O_4)_x复合磁电材料库中准同型相界及机理研究

【摘要】本论文分为三个部分(三章)：第一部分是文献综述；第二部分是(PbTiO3)1-x-(CoFe2O4)x复合磁电材料库的结构表征和分析,重点分析了材料库中出现的相变及准同型相界；第三部分是(PbTiO3)1-x-(CoFe2O4)x复合磁电材料库中出现准同型相界的机理研究。第一章是论文涉及内容的背景知识和相关进展的介绍。首先从准同型相界的历史出发,介绍了准同型相界的机理,详细综述了准同型相界的实验进展和理论研究。其次,介绍了磁电材料的基本概念、研究背景,详细介绍了磁电材料的研究历史和进展。再次,介绍了组合材料学的基本概念、内涵和发展历史,综述了材料库的设计、并行合成以及对样品库高通量表征的研究进展。然后结合组合材料学在介电材料研究中的应用,介绍了课题组的前期工作,采用组合脉冲激光沉积技术合成(PbTiO3)1-x-(CoFe2O4)x复合磁电材料库,完成了初步的性能和结构分析,发现x=0.2处存在介电性能异常增强。结构分析中与之对应的是,得益于同步辐射X射线衍射的高分辨率,在此处除观察到对应于a畴和c畴PbTiO3(我们将这两种畴分别标记为in-planePTO和out-planePTO)的两个衍射峰之外,我们还观察到一个新的衍射峰。这个新的衍射峰意味着新的相结构,很可能是介电性能异常增强的起源。最后,说明了本论文的主要研究内容。第二章是(PbTiO3)1-x-(CoFe2O4)x复合磁电材料库的结构表征和分析,重点是高分辨同步辐射X射线衍射研究。具体来说,在前期工作中每隔5%组分采集一幅同步辐射X射线衍射图的基础上,为了更进一步研究这个新的衍射峰和材料库结构演化的过程,我们进行了更深入细致的工作。针对x=0.1～0.28附近的组分区域,我们每隔2%组分采集一幅同步辐射X射线对称衍射和非对称衍射图。采集非对称衍射图的目的是为了获得晶胞的面内晶格常数,结合对称衍射图,得到晶胞的完整结构信息。在此基础上,我们认为,在x=0.2附近的组分区域内,存在着一个应力诱导的亚稳赝立方相PbTiO3,这个赝立方相PbTiO3与原本就存在的四方PbTiO3构成了一个四方-赝立方相的准同型相界。我们还采用常规脉冲激光沉积方法制备了准同型相界组分范围内的单一组分大面积(PbTiO3)0.8-(CoFe204)0.2复合材料薄膜,通过高温同步辐射X射线衍射,研究了复合材料薄膜随温度的结构演化过程。相比于体相PbTiO3,实验表明,应力薄膜中的居里温度有所降低,这与其他文献报道一致；室温下应力诱导的亚稳相PbTiO3(002)衍射峰,其位置与高温立方相PbTiO3(002)衍射峰的位置非常接近。结合亚稳相的对称和非对称衍射结果,我们猜测新出现的亚稳相是亚稳赝立方pc相(pseudo-cubic)。结合复合材料库和复合材料薄膜的衍射研究结果,我们给出了PbTiO3-CoFe2O4复合材料的组分-温度相图。第三章是(PbTiO3)1-x-(CoFe2O4)x复合磁电材料库中准同型相界的机理研究。在这一章中,合作者孙霞老师采用第一性原理计算,从理论上给出了PbTiO3各相的焓。对PbTiO3各相焓的计算表明,亚稳赝立方PbTiO3的焓曲线在x=0.16时与四方相PbTiO3之一的out-planePTO的焓曲线相交,同时在整个准同型相界区域内,亚稳赝立方PbTiO3的焓比另一种四方相PbTiO3——in-planePTO的焓高出约25meV,其差值与室温下kT的值(约26meV)相当。这意味着,室温下亚稳赝立方相PbTiO3有相当的出现几率。为了更进一步研究准同型相界与介电性能增强之间的关系,研究介电性能异常增强的起源,我们根据基本物理原理,以第一性原理的结果为输入,采用统计的方法,理论上计算了(PbTiO3)1-x-(CoFe2O4)x复合磁电材料库的线性介电常数,结果与实验测量符合的非常好。对比结果的分析还表明,介电性能增强来源于准同型相界区域内不同PbTiO3相之间的动态平衡。四方相和赝立方相PbTiO3在外电场作用下相平衡的改变,导致了线性和非线性相对介电常数在x=0.2附近出现一个峰。这一点与我们对复合磁电材料库的介电性能表征结果一致。在此基础上,我们进一步推导并计算了压电系数和磁电系数,并与实验结果进行了比较,也符合得相当好。为了从实验上观察不同相结构PbTiO3在外加电场作用下相平衡的变化,我们采用高分辨同步辐射X射线衍射测量了电场作用下(PbTiO3)0.8-(CoFe204)0.2复合材料薄膜衍射峰强的变化。实验结果表明,在施加电场前后,in-planePTO的含量基本不变,out-planePTO的含量有所增加,应力诱导的亚稳赝立方pc-PTO的含量有所减少,转变为out-planePTO。这一变化可从第一性原理计算上得到很好的解释。
【作者】胡传圣；
【导师】高琛；
【作者基本信息】中国科学技术大学，同步辐射及应用，2012，博士
【关键词】准同型相界；磁电材料；组合方法；脉冲激光沉积；同步辐射X射线衍射；PbTiO3-CoFe2O4复合磁电材料库；应力诱导亚稳相；第一性原理计算；

【参考文献】
[1]刘晓玲.基于石墨烯及其衍生物的新型毛细管电色谱[D].东北师范大学,2014.
[2]郭志永.北大西洋U1313站深海沉积物记录的早更新世气候变化[D].南京大学,自然地理学,2012,博士.
[3]马朝选.基于ADAMS的叉车转向动力特性分析[D].太原科技大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[4]施翠琴.小学数学问题解决中的变式教学研究[D].宁波大学,课程与教学论,2013,硕士.
[5]陈焕鑫.双卟啉笼状及三卟啉环状化合物的模板导向合成[D].杭州师范大学,有机化学,2013,硕士.
[6]周欢,王坚强,王丹丹.基于Hurwicz的概率不确定的灰色随机多准则决策方法[J].控制与决策,2015,03:556-560.
[7]袁林林,肖继军,赵峰.不同温度下HNIW/GE复合物的MD模拟研究[A].中国工程物理研究院、北京理工大学、中国兵工学会爆炸与安全技术专业委员会.2014’（第六届）含能材料与钝感弹药技术学术研讨会论文集[C].中国工程物理研究院、北京理工大学、中国兵工学会爆炸与安全技术专业委员会:,2014:6.
[8]唐加福,汪定伟,许宝栋,李露.基于评价函数的遗传算法求解非线性规划问题[J].控制与决策,2000,05:573-576.
[9]贺洁宇.巨噬细胞中Rheb1敲除对小鼠机体代谢的调节作用及机制探讨[D].中南大学,临床医学,2014,博士.
[10]高永志.双鸭山矿山地质环境遥感监测研究[D].吉林大学,地质工程,2012,硕士.
[11]黄艳,赵春田,裘娟萍.一株加纳链霉菌种子培养工艺及移种标准的研究[J].中国畜牧杂志,2014,07:79-84.
[12]张娟.忻州市农村居民最低生活保障问题研究[D].山西财经大学,社会保障,2013,硕士.
[13]陈建剑.石墨烯改善环氧树脂基/碳纤维复合材料界面性能的研究[D].江南大学,2012.
[14]张红红.高管团队特质对差异化竞争优势影响的实证研究[D].河北经贸大学,企业管理,2012,硕士.
[15]陈雄文,王凤友.林窗模型BKPF模拟红松针阔叶混交林群落对气候变化的潜在反应[J].植物生态学报,2000,03:327-331.
[16]梁岩.会计师事务所规模与审计质量的关系研究[D].河北经贸大学,会计学,2012,硕士.
[17]吴正娴.国有商业银行业务流程再造研究[D].华中师范大学,情报学,2003,硕士.
[18]范毅.井下设备设施GIS管理系统设计与实现[D].西安科技大学,地图学与地理信息系统,2013,硕士.
[19]张青青.改性石墨烯掺杂聚苯胺复合材料的合成及其电化学性能研究[D].天津大学,2014.
[20]阿肖克,K.内斯,王友仁.暗点——礁体的记录特征[J].石油地球物理勘探,1976,01:42-46.
[21]张鹏.真空—堆载联合预压地基侧向变形特性及试验研究[D].中国地质大学（北京）,岩土工程,2013,硕士.
[22]吴连芬.20世纪二三十年代浙江乡村教育运动的历史考察[D].杭州师范大学,课程与教学论,2007,硕士.
[23]陈绰蓉.浙江出口复杂度测度及其深化动因研究[D].浙江工商大学,国际贸易学,2012,硕士.
[24]马慧.华南前汛期的气候异常特征及其影响因子的分析[D].南京气象学院,气象学,2004,硕士.
[25]李政道.基于系统动力学的设计阶段建筑废弃物减量化效果评估[D].深圳大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[26]别锋锋.油田注水系统设规划优化研究[D].大庆石油学院,安全技术及工程,2004,硕士.
[27]徐忠华,王庆云.基于钻石模型的煤炭工程企业海外市场选择研究[J].煤炭工程,2014,05:100-103.
[28]刘则鹏.加味温胆汤治疗痰热郁阻型反流性食管炎的临床研究[D].甘肃中医学院,中医内科学,2014,硕士.
[29]张钊.从政治家的言论看日本的暧昧政治[D].河南科技大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[30]杨柳.骊山老母信仰研究[D].西北大学,中国审美文化史,2014,博士.
[31]何崇智.APD·10型X射线衍射仪功能开发[J].钢铁研究学报.1993(04)
[32]谢世阳.加参优化方对大鼠心肌梗死后梗死范围及心功能的影响[D].河南中医学院,中医内科学,2012,硕士.
[33]郭满.慢病毒介导RNA干扰技术制备骨桥蛋白基因沉默小鼠模型[D].复旦大学,临床医学,2012,硕士.
[34]陈柏林.小交会角下双目视觉的测量方法研究[D].国防科学技术大学,航空宇航科学与技术,2012,硕士.
[35]王海珍,韩路,徐雅丽,牛建龙.胡杨异形叶光合作用对光强与CO_2浓度的响应[J].植物生态学报,2014,10:1099-1109.
[36]施茜.基于情感的音频相似度模型与检索方法[D].华中科技大学,计算机软件与理论,2013,硕士.
[37]徐科,李文峰,杨朝霖.基于幅值谱与不变矩的特征提取方法及应用[J].自动化学报,2006,03:470-474.
[38]付丽霞.鳞片石墨锂离子电池负极材料倍率性能研究[D].哈尔滨工业大学,化学工程,2013,硕士.
[39]李勇.电离层闪烁的建模研究[D].北京交通大学,2014.
[40]闫瑜.理性德育视域下的大学生非理性德育探析[D].首都师范大学,思想政治教育,2013,硕士.
[41]田林钢.水利工程建设中业主风险管理研究[D].浙江大学,建筑与土木工程,2004,硕士.
[42]韩丽霞.手机媒体对城市中学生价值观影响研究[D].河北师范大学,思想政治教育,2014,硕士.
[43]郭红艳.基于叙事法的事件型纪念建筑空间设计研究[D].北京建筑大学,建筑学,2013,硕士.
[44]赵璐.晋城鸣凤剧团的调查与研究[D].山西师范大学,戏剧戏曲学,2014,硕士.
[45]薛美东,赵波,张雪松,江全元.并网型微网的优化配置与评估[J].电力系统自动化,2015,03:6-13.
[46]雷晓荣.基于SCM的汽车零部件企业库存管理信息系统的研究与实现[D].广西科技大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[47]范梦吾.高速电主轴热变形的有限元分析[D].广东工业大学,机械制造及其自动化,2004,硕士.
[48]陈吕平.论我国水路交通突发事件应急机制建设[D].宁波大学,公共管理,2013,硕士.
[49]胡贝贝.山东半岛蓝色经济区科技资源配置效率评价及对策研究[D].安徽大学,技术经济及管理,2014,硕士.
[50]刘博.双并联型有源电力滤波器的研究与设计[D].东北大学,控制理论与控制工程,2010,硕士.