BiFeO3基固溶體陶瓷的多鐵、微波吸收和磁電耦合性質(zhì)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)特別是現(xiàn)代信息技術(shù)的迅飛猛進(jìn)發(fā)展,社會信息化的進(jìn)程日新月異,人們對電子元器件的小型化/微型化以及實現(xiàn)多功能化的要求越加迫切,因此使得人們在對集多種物理效應(yīng)于一體的多功能材料的研究上顯示出更多的關(guān)注和興趣。而多鐵性材料就是這樣一類能夠同時呈現(xiàn)出兩種或兩種以上鐵性(如鐵電性、鐵磁性、鐵彈性以及鐵旋性)的多功能磁電材料。更為值得關(guān)注的是,在多鐵性材料有可能實現(xiàn)鐵磁性和鐵電性之間的相互調(diào)控,也就是說能夠在外加電場下比不僅使材料具有鐵

2、電極化性質(zhì),還能夠誘導(dǎo)激發(fā)磁化,同樣在外加磁場也能夠誘導(dǎo)材料的鐵電極化性質(zhì)。
　　多鐵性材料以及鐵電性與鐵磁性之間的耦合,包含著豐富的物理內(nèi)容,它涉及到自旋與晶格或聲子之間的耦合、鐵磁與反鐵磁耦合以及磁光耦合等,因此,在研究多鐵材料中,可以通過外部物理場(磁場、溫度場、電場以及電磁場)實施對多鐵材料的調(diào)控,這就為鐵電/鐵磁性的互相耦合提供了依據(jù)。正是由于多鐵材料具有以上豐富的物理研究內(nèi)容,使得成為當(dāng)前熱門研究領(lǐng)域。
　　本文

3、以BiFeO3多鐵材料為基礎(chǔ),研究了摻雜改性以及與鐵電材料(Bi0.5Na0.5TiO3和Bi4Ti3O12)形成固溶體,主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)我們采用硝酸鹽-檸檬酸法制備了(1-x)BiFeO3-xBi0.5Na0.5TiO3系列固溶體陶瓷樣品,以及Ba摻雜x=0.3的樣品。詳細(xì)研究了固溶體陶瓷樣品微觀結(jié)構(gòu)、形貌、鐵電性、磁性以及光學(xué)性能。研究結(jié)果顯示,Bi0.5Na0.5TiO3含量逐漸增加引起晶體結(jié)構(gòu)由菱方逐漸向膺立

4、方相轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變臨界點在x=0.4處。和純相BiFeO3材料相比,x=0.3的樣品具有較好的多鐵性,獲得的剩余極化強(qiáng)度和飽和磁化強(qiáng)度分別為Pr=1.49μC/cm2和Ms=0.51emu/g.更為重要的是,順磁到鐵磁相的轉(zhuǎn)變在此固溶體材料中也被觀察到,居里溫度也能夠通過變化Bi0.5Na0.5TiO3的含量進(jìn)行調(diào)節(jié)。這里觀察到的鐵磁有序主要是由于在化學(xué)有序區(qū)域內(nèi)可能存在Fe3+–O–Ti–O–Fe3+的長程超交換作用。同時,Ba摻雜0.7

5、BiFeO3-0.3Bi0.5Na0.5TiO3固溶體,磁滯回線測量表明磁性能獲得了極大的增強(qiáng)。在x=0.2固溶體中,磁滯回線測量獲得了最大剩余磁化,數(shù)值為0.55emu/g。Ba的摻雜還提高了陶瓷粉末的禁帶寬度。
　　(2)我們詳細(xì)研究了固溶體的動態(tài)磁性能、介電性能以及微波吸收性能。結(jié)果顯示,所有樣品的磁性能、介電性能隨頻率的變化趨勢相同。隨著含量x的增加,Bi0.5Na0.5TiO3摻雜固溶樣品的反射損耗逐漸的減小,也就是說,

6、微波吸收性能在減弱,小于-10dB的帶寬也在不斷的減小。在2-18GHz,x=0.1和0.2的樣品相對來說具有較好的吸收特性。但是由于復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率存在巨大的差異性,導(dǎo)致了微波吸收性能較差。因此,有必要進(jìn)一步提高阻抗匹配特性。
　　(3)采用硝酸鹽-檸檬酸法制備Bi0.8Ba0.2Fe1-xNbxO3系列陶瓷樣品,研究了共摻雜材料的鐵磁性、鐵電性、介-頻/介-溫性質(zhì)以及室溫磁電耦合性質(zhì)。Nb摻雜增強(qiáng)了材料的鐵電和鐵磁性質(zhì)。結(jié)

7、果顯示,獲得磁電增強(qiáng)的Bi0.8Ba0.2Fe0.975Nb0.025O3陶瓷的剩余極化強(qiáng)度和矯頑場(Mr和Pr)分別為3.69emu/g和1.34μC/cm2。從介電隨頻率測量中看到,Nb摻雜減小了低頻頻散和介電損耗。通過介溫曲線測量發(fā)現(xiàn),在反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度出現(xiàn)了介電反常。Nb的摻雜有助于減小介電損耗,尤其在低頻范圍內(nèi)。同時,x=0.015和0.025樣品處于磁場磁化后,測量得到的剩余極化強(qiáng)度都獲得了增強(qiáng),這樣就間接證明了室溫磁電耦合的

8、存在。
　　(4)采用固相法制備了Bi5Ti3FeO15陶瓷樣品,研究該材料的微觀結(jié)構(gòu)、介電性質(zhì)隨溫度的變化關(guān)系、交流電導(dǎo)特性、鐵電性、鐵磁性以及光吸收特性。結(jié)果顯示,Bi5Ti3FeO15陶瓷樣品具有層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu),顆粒尺寸在2–5μm范圍內(nèi)。介溫測量顯示在該材料中存在兩個介電反常,分別在1007和1090K,預(yù)示著也有兩種相變的存在,但是在tanδ?T曲線內(nèi)并沒有觀察到峰的出現(xiàn)。同時,計算出在476–639K,652–966K

9、和980–1095K內(nèi)的激活能分別為0.156,0.262和0.707eV。通過電滯回線測量得到的剩余極化強(qiáng)度(2Pr)和矯頑場(2Ec)分別為6.08μC/cm2和59kV/cm。磁性測量表明Bi5Ti3FeO15陶瓷在室溫下具有弱的鐵磁性,我們對磁性的起源也作了分析。通過紫外-可見光吸收光譜測量,計算擬合得到的禁帶寬度為2.03eV。
　　(5)采用硝酸鹽-檸檬酸法制備了La摻雜Bi9Ti3Fe5O27系列陶瓷樣品,研究了材料

10、的微觀結(jié)構(gòu)、介電性質(zhì)隨溫度的變化關(guān)系、鐵電性、鐵磁性以及磁電耦合性質(zhì)。研究表明隨著La3+離子含量的增加,樣品的顆粒尺寸逐漸減小,材料的磁性也得到逐步的增強(qiáng)。同時樣品的鐵電-順電相變溫度逐漸的移向低溫區(qū)。對于Bi6La3Ti3Fe5O27樣品,結(jié)構(gòu)個高分辨電鏡分析表明該合成直徑為2μm厚度為160–170nm的片狀結(jié)構(gòu)材料,這是由于材料在(001)面加速生長造成的。La摻雜已經(jīng)顯示能夠很好的實現(xiàn)室溫鐵電性/鐵磁性的共存,因此也預(yù)示稀土摻