鐵酸鉍基無(wú)鉛壓電及單相室溫多鐵性陶瓷的結(jié)構(gòu)、鐵電-壓電及磁性質(zhì)研究.pdf

1、多鐵性材料是指擁有兩種或兩種以上鐵的基本性能（鐵電性、鐵磁性、鐵彈性和鐵渦性等）的材料，其中以同時(shí)擁有鐵電性和鐵磁性的多鐵性材料為典型代表，且被廣泛研究。鐵酸鉍(BiFeO3)作為罕見(jiàn)的單相室溫多鐵性材料，同時(shí)表現(xiàn)出830℃的居里溫度和370℃的奈爾溫度，其獨(dú)特的物理性質(zhì)賦予了它在功能器件方面的潛在應(yīng)用。然而純相BiFeO3的制備困難、漏電流大以及G-型反鐵磁結(jié)構(gòu)等限制了BiFeO3基材料的多功能應(yīng)用。因此，改善BiFeO3材料的絕緣性

2、能，抑制雜相生成，從而改善材料的電/磁性能是當(dāng)前BiFeO3材料研究的熱點(diǎn)課題。本文通過(guò)化合物摻雜(磁性NdCoO3/非磁性Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3)、氧化物摻雜和離子取代(Er3+)制備了四類BiFeO3基固溶體體系，系統(tǒng)研究了組成和燒結(jié)條件對(duì)陶瓷結(jié)構(gòu)、多鐵性能和磁電效應(yīng)的影響，探討了材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系，其主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)采用固相法合成了(0.75-x)BiFeO3-0.25BaT

3、iO3-xNdCoO3+1 mol％ MnO2固溶體多鐵性材料，系統(tǒng)研究了組分x對(duì)陶瓷結(jié)構(gòu)、多鐵性能和磁電效應(yīng)的影響。研究表明，所有陶瓷均呈現(xiàn)典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，陶瓷隨組分變化發(fā)生菱方相到正交相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，當(dāng)x=0.01-0.03時(shí)，陶瓷形成菱方相—正交相的準(zhǔn)同型相界(MPB)。SEM圖顯示，少量摻雜NdCoO3可以明顯促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)，反之抑制晶粒生長(zhǎng)。MPB處陶瓷具有良好的壓電性、強(qiáng)的鐵電性、高的居里溫度(～486-605℃)和卓越的壓電

4、性溫度穩(wěn)定性。x=0.08的陶瓷具有最強(qiáng)的磁性(Mr=0.4229 emu/g和Ms=2.7186 emu/g)，幾乎是未摻雜陶瓷的六倍。x=0.02陶瓷展現(xiàn)出強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng)(α33=750.1 mV·cm-1·Oe-1)。模仿電流檢測(cè)證實(shí)當(dāng)前陶瓷具有線性電流響應(yīng)的電流傳感容量。
　　(2)以(0.75-x)BiFeO3-0.25BaTiO3-xBi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3+1 mol％ MnO2陶瓷為研究對(duì)象

5、，系統(tǒng)研究了組分及燒結(jié)溫度對(duì)陶瓷相結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、絕緣性、壓電及鐵電性的影響。XRD結(jié)果表明所有陶瓷呈現(xiàn)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。陶瓷隨組分發(fā)生菱方相到正交相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，當(dāng)x=0.01時(shí)，形成菱方相—正交相的準(zhǔn)同型相界。SEM譜顯示少量摻雜Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)，反之，抑制晶粒生長(zhǎng)。燒結(jié)溫度對(duì)陶瓷的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能有重要影響。960℃是獲得高壓電性陶瓷的最佳燒結(jié)溫度。960℃燒結(jié)2小時(shí)制備的x=0.01陶瓷具有大晶粒

6、尺寸、良好的致密度、高的電阻率、增強(qiáng)的鐵電性(Pr=11.0μC/cm2)和最優(yōu)的壓電性(d33=114 pC/N)。
　　(3)新型0.725BiFe0.96Sc0.04O3-0.275BaTiO3+xmol％ MnO2多鐵性陶瓷被合成,系統(tǒng)研究了組分x對(duì)陶瓷的結(jié)構(gòu)、多鐵性能以及磁電效應(yīng)的影響。所有陶瓷均具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，陶瓷隨組分發(fā)生菱方相到單斜相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變;當(dāng)x=0.5-1.0時(shí)，形成菱方相—單斜相的準(zhǔn)同型相界。MnO2的摻入

7、抑制了陶瓷晶粒的生長(zhǎng)。少量MnO2摻雜明顯降低氧空位濃度，改善陶瓷電絕緣性;反之，增大氧空位濃度，降低陶瓷電絕緣性。x=0.5-1.0陶瓷具有良好的電絕緣性(R=1.2-1.7×1010Ω·cm)、高的居里溫度(590-596℃)、強(qiáng)的鐵電/壓電性(Pr=13.1-17.6μC/cm2，d33=123-143 pC/N，kp=0.34-0.35)和優(yōu)異的鐵電/壓電性溫度穩(wěn)定性。這些性能的改善都與陶瓷中Mn離子的貢獻(xiàn)相關(guān)。最令人驚喜的是，

8、在x=7.0陶瓷中獲得Mr=0.4946 emu/g和Ms=1.0298 emu/g的超強(qiáng)鐵磁性，幾乎是未摻雜陶瓷的1000倍。2.0 mol％ Mn離子摻雜陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)異的磁電耦合效應(yīng)(α33=429.57 mV·cm-1·Oe-1)。
　　(4)0.75Bi1-xErxFeO3-0.25BaTiO3+1mol％ MnO2多鐵性陶瓷被合成，系統(tǒng)研究了組分x對(duì)陶瓷的結(jié)構(gòu)、鐵電/壓電性和磁學(xué)性能。XRD表明所有陶瓷均具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，

9、陶瓷隨組分發(fā)生菱方相到正交相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。SEM圖顯示，少量Er離子摻雜促進(jìn)陶瓷晶粒生長(zhǎng)，反之，抑制晶粒生長(zhǎng)。x=0.125-0.15陶瓷具有良好的電絕緣性(R=2.75-2.83×1010Ω·cm)和強(qiáng)的鐵電性(Pr=13.44-14.21μC/cm2)。Er離子的摻入水平?jīng)Q定著陶瓷的磁性，少量磁性Er3+離子摻雜破壞了原有螺旋磁結(jié)構(gòu)，使磁性增強(qiáng);反之，形成新的反鐵磁結(jié)構(gòu)，降低其磁性。x=0.15陶瓷擁有最好的磁性，其Mr和Ms值分別是