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材料与能源学院胡万彪团队在Advanced Functional Materials在线发表磁介电效应研究成果

2021-09-28  

923日,材料与能源学院以云南大学为唯一单位,在Advanced Functional Materials(影响因子18.808)上发表研究论文“Polaron Hopping Induced Giant Room-temperature Magnetodielectric Effect in Disordered Rutile NiNb2O6”(论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108950)。云南大学材料与能源学院汪健副教授为第一作者,胡万彪研究员为通讯作者。

传统的磁介电材料,绝大部分是基于自旋-晶格耦合或磁转变机制,其磁介电效应大多太弱或远低于室温。胡万彪团队基于自旋依赖的极化子跃迁机制,在无序金红石型NiNb2O6r-NiNb2O6)陶瓷材料中,获得低磁场(1特斯拉)条件下-62%的室温磁介电系数。通过等效电路模型拟合、磁性、磁电阻及磁电耦合效应的表征,证明该磁介电效应起源于外加磁场对晶粒内部极化子的局域跃迁的调制,是材料的本征性质。该研究清楚地揭示了磁介电效应受极化子跃迁激活、自旋晶格耦合和自旋热涨落之间的竞争影响,为室温磁介电材料的设计提供了新思路(图1)。

值得指出的是,r-NiNb2O6需在1450oC以上淬火获得,很难采用传统方法制备单晶。因此,无法通过研究单晶的介电响应来排除晶界效应对r-NiNb2O6巨介电性质的贡献。针对此问题,本研究结合hopping-relaxation等效电路模型和偏压测量,证明r-NiNb2O6的巨介电效应源于晶粒响应。该hopping-relaxation等效电路模型是胡万彪团队在介电材料物理机制研究的系列成果之一【Equivalent Circuit Modeling on the Defect-dipole Enhanced Dielectric PermittivityJournal of Materials Chemistry C2020);Effect of Cation Arrangement on the Polaron Formation and Colossal Permittivity in NiNb2O6Journal of Materials Chemistry C2020);A-site Ca2+ substitution induced polyvalent Cu cations and correlated polaron relaxations in colossal permittivity Li1-xCaxCuNb3O9. Ceramics International 2021)】,本工作进一步揭示了电路模型的参数s与自旋晶格耦合强度的关联,为研究介电材料的物理机制提供了新方法(图2)。

本研究工作得到国家自然科学基金(21773205, U2002217),云南省重点研发计划(2018BA068),云南省基础研究计划(202101AT070001)以及云南大学人才引进启动项目的资助。

图(1 r-NiNb2O6的磁介电系数、极化子跃迁激活和磁电耦合系数的关系示意图

2 a)拟合采用的等效电路模型。其中Grain部分为hopping-relaxation模型的电路,Interface部分代表界面电阻和电容,RcircuitLcircuit分别代表测试电路的电阻和电感;(b)对r-NiNb2O6介电数据的拟合结果(实线为拟合曲线);(c)拟合所得RleakageS参数与温度的关系;(d)模拟的晶粒响应与偏压测试结果的比较。

  供稿:材料与能源学院

编辑:李哲

责任编辑:王崴


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