掺杂不同比例Sr的La1-xSrxMnO3微结构研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:杨丙文

  La1-xSrxMnO3材料具有热致相变特性,成为具有潜在应用前景的空间小卫星热控功能材料。La1-xSrxMnO3 是一种结构非常敏感性材料,掺杂比例对其结构和性能影响很大。本项研究中采用传统的固相反应方法,通过控制烧结温度、退火时间、成分配比等关键工艺参数,制备出不同掺杂比例的La1-xSrxMnO3陶瓷片。利用X 射线衍射分析了薄膜的成分、相结构、结晶情况。实验研究表明,La1-xSrxMnO3材料是结构敏感化合物,随着不同比例Sr掺杂,La1-xSrxMnO3材料的微结构将发生很大的变化。

  锰基钙钛矿氧化物中由于存在复杂的电子、晶格、自旋等相互作用而成为凝聚态物理、材料物理等的主要研究对象之一。特别是在其中发现了具有潜在应用前景的金属绝缘体相变特性,使La1-xSrxMnO3 材料具有潜在应用前景的空间小卫星热控功能材料。这种材料具有热致相变特性,随着温度的降低,在某一温度范围内,它们会发生从金属(M)性到绝缘体(I)的突变,伴随着晶相结构突变,材料的光学、电学和热学等性质将发生显著的变化。这种相变特性将可以应用于光电转换、激光防护和空间智能热控等方面。

  La1-xSrxMnO3是一种结构非常敏感的化合物,Sr 掺入后出现结构相变,不同比例成分相变温度差异很大。本文探索了新型材料La1- x SrxMnO3的制备工艺,用固相反应方法结合陶瓷烧结工艺,在900~ 1200 ℃ 制备了各种组分的La1- x SrxMnO3( x =0,0.1,0.15,0.175,0.2 和0.3) 单相多晶材料,并对其微观结构的变化进行了详细分析,初步探索适合空间热控应用的准确掺杂比例的La1-xSrxMnO3 样品。

1、实验条件

  实验采用传统的固相反应方法和陶瓷烧结工艺。首先是按La1-xSrxMnO3 ( x = 0,0.1,0.15,0.175,0.2 和0.3) 的计量比称取高纯度的La2O3(99.9%)、SrCO3(99.99%)和MnO2(光谱纯)。称量后将其加入酒精中使其充分搅拌混合均匀,自然风干后经研磨6h均匀混合后放入高温箱式电阻炉中在900~ 1200 ℃之间的高温中预烧。预烧后的粉末再研磨3h,然后继续放入高温炉中继续煅烧。每次反应时间为12 h 左右,如此往复3-4次就可以获得单相的镧锶锰氧粉料,然后进行陶瓷烧结制成陶瓷压片。

  X 射线衍射(XRD)测量是在Philps PW1830 型X射线衍射(XRD) 仪上进行的,入射X射线为CuK A线,X 射线的波长为0.154 nm,阳极电压和电流分别为45kV 和40mA。

2、实验结果和分析讨论

2.1、不同烧结温度的La1-xSrxMnO3 的微结构

  图1 为1000 ℃ 烧结的LaMnO3样品的XRD 图谱。可以看出,制备的样品是单相多晶的。结构研究表明,该样品具有正交对称性,晶格常数为a =0.5339 nm,b= 0.5496 nm,c= 0.7784 nm。

1000 ℃ 烧结LaMnO3XRD 图

图1 1000 ℃ 烧结LaMnO3XRD 图

  图2 为不同烧结温度La0.825Sr0.175MnO3 的XRD图谱。没有经过高温烧结的样品几乎是无定性态,含有很多杂质(例如SrCO3等),并没有出现明显的LaMnO3晶态结构。900 ℃ 烧结的样品出现LaMnO3晶态结构,1200 ℃ 烧结样品则呈现为单相的LaMnO3多晶。

不同烧结温度La0.825Sr0.175MnO3 的XRD 图

图2 不同烧结温度La0.825Sr0.175MnO3 的XRD 图

结论

  用固相反应法结合陶瓷烧结工艺,在900 ~1200 ℃ 温度下成功制备了La1-xSrxMnO3 多晶材料。La1-xSrxMnO3 是一种结构非常敏感的化合物,Sr掺入后出现结构相变。当掺杂量x 为0 和0.1时,样品为正交畸变钙钛矿结构; 当x 为0.15,0.175,0.2和0.3 时,样品具有菱方相晶体结构。结构相变出现的原因是Mn-O八面体中Jahn-T℃ll℃r畸变与Sr 掺入后引起Mn3+ \Mn4+ 离子的转化两种因素综合作用的结果。从不同比例可以看出La1-xSrxMnO3这类材料确实是结构敏感化合物。将La1-xSrxMnO3材料用于空间小卫星热控,满足温度在室温相变和热发射率改变的要求,还需做细致的研究和试验工作。

  致谢 兰州大学磁性材料研究中心,兰州化学物理研究所光学分析实验室在XRD 测试中提供帮助。

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