关于(1-x)Ca0.9Mg0.1TiO3-(x)CoFe2O4多铁性复合材料的电学和磁学性质的见解

《Journal of Alloys and Compounds》：Insights into electric and magnetic properties of (1-x) Ca 0.9 Mg 0.1 TiO 3 -(x) CoFe 2 O 4 multiferroic composites

多铁性复合材料(1-x)Ca0.9Mg0.1TiO3-xCoFe2O4的制备与性能研究采用固态法合成，x=0.0-0.3时发现界面极化效应使介电常数提升至4369.21（100Hz），较纯CMTO提高5倍，磁性能随CFO含量增加显著增强。

　　这项研究聚焦于一种新型多铁性复合材料的制备与性能分析，该材料由（1-x）Ca?.?Mg?.?TiO?（简称CMTO）和x CoFe?O?（简称CFO）组成，其中x代表CFO在复合材料中的比例，取值范围为0.0、0.1、0.2、0.3和1.0。研究采用传统的固态反应法进行合成，旨在探索该材料在结构、介电、铁电和磁性方面的特性。多铁性材料因其具备多种铁性序（如铁电性和磁性）而备受关注，近年来被广泛应用于传感器、记忆设备、执行器、微波谐振器、磁记录头等多个领域。为了克服传统多铁性材料在耦合系数低和漏电流大的问题，研究者们开始关注多相复合材料的开发，尤其是将铁电相与铁磁相结合的材料。

在材料合成过程中，研究人员采用了高纯度的原料，包括CaCO?、TiO?、MgO、Co?O?、Fe?O?和乙醇等，确保材料的纯净度和性能的稳定性。通过固态反应法，将这些原料按照精确的化学计量比进行混合和研磨，从而制备出所需的复合材料。这种方法不仅具有成本效益，而且环保，同时能够有效控制材料的相形成和微观结构，这对优化其电学和磁学性能至关重要。

为了评估材料的结构特性，研究团队使用了Rigaku X射线衍射仪（XRD）对样品的晶体结构和XRD图谱进行了分析。XRD结果表明，CMTO和CFO在复合材料中分别表现出特定的布拉格反射峰，这些峰的分布和强度可以用来确认材料的组成和相结构。通过Rietveld精修方法进一步提高了结构分析的准确性，揭示了材料内部的晶体排列和相间相互作用。此外，FE-SEM图像显示了CMTO和CFO在复合材料中的形貌特征，其中纯相材料的晶粒呈现近似球形，而复合材料的晶粒则表现出不均匀的板状结构。这种形貌的变化可能与两种材料之间的晶格失配和热膨胀系数差异有关，进而导致残余应力的产生。

在电学性能方面，研究团队对复合材料的介电常数和频率依赖的交流电导率进行了分析。XRD结果表明，随着CFO含量的增加，复合材料的介电常数显著提高，尤其是在x=0.3时，介电常数达到4369.21（在100 Hz频率下），远高于纯CMTO的701.95。这一现象主要归因于相界面处的强界面极化作用，其中电荷积累和应变诱导的晶格畸变促进了Maxwell-Wagner弛豫和Debye型分散效应。此外，交流电导率随频率的增加而升高，表明材料内部的电荷传输机制主要为极化子跳跃，这种机制在高温合成过程中可能受到界面原子扩散的影响。

在磁学性能方面，研究团队利用振动样品磁强计（VSM）对复合材料的磁性进行了测试。结果显示，随着CFO含量的增加，复合材料的饱和磁化强度（Ms）和矫顽力（Hc）均有所提高。这一现象主要由CFO晶粒在CMTO基体中形成局部化磁畴所致，同时界面交换作用和应变效应进一步增强了材料的磁性。此外，CFO的高电阻率、低磁矫顽力和良好的热稳定性使其成为理想的磁性相，与CMTO结合后，复合材料表现出优异的多铁性特性。

为了进一步分析材料的介电和磁性行为，研究团队还进行了温度依赖的介电测试和P-E回线分析。温度依赖的介电测试结果表明，CMTO在低温下表现出稳定的介电常数，而在较高温度下（超过300 K）介电常数显著增加，这与热激活极化和界面效应有关。对于复合材料，随着CFO含量的增加，介电常数的变化趋势更加明显，尤其是在x=0.2和x=0.3时，材料的介电性能得到了显著改善。P-E回线分析则揭示了复合材料在电场作用下的极化行为，其中饱和极化（Pmax）和剩余极化（Pr）随着CFO含量的增加而提高，表明材料的铁电性能得到了增强。

研究团队还对复合材料的界面特性进行了深入探讨。界面工程被认为是优化多铁性复合材料性能的关键因素之一，因为界面处的应变传递、电荷分布和磁畴相互作用能够显著影响材料的整体性能。此外，界面处的原子扩散可能改变局部的化学计量比，进而影响材料的介电和磁性特性。因此，控制界面原子扩散成为提高多铁性复合材料多功能性的有效策略。

从应用角度来看，这项研究的成果具有重要的实际意义。CMTO和CFO的复合材料不仅在结构、电学和磁学方面表现出优异的性能，还具备多铁性特性，能够同时实现铁电和磁性的调控。这种特性使其在多种应用领域中具有广阔前景，如传感器、记忆设备和能量存储系统。此外，随着对多铁性材料研究的不断深入，未来可能会开发出更多具有高性能和多功能的复合材料，进一步推动相关技术的发展。

研究团队在实验过程中还获得了多项重要的技术支持和资源。他们感谢了印度昌迪加尔的CSR实验室提供的频率依赖的介电常数和P-E回线测试设备，以及新德里的IUAC实验室提供的温度依赖的介电常数测试设备。此外，研究团队还得到了国家技术学院（NIT Srinagar）和喀拉巴尔大学（University of Kashmir）的支持，这些机构为实验提供了必要的设施和资源。

总的来说，这项研究通过系统的合成和表征方法，揭示了（1-x）CMTO-(x) CFO复合材料在结构、电学和磁学方面的特性。研究结果不仅为多铁性材料的开发提供了新的思路，还为相关应用领域提供了重要的理论依据和技术支持。未来的研究可以进一步优化材料的组成和结构，探索其在更高性能和多功能应用中的潜力。