溶胶凝胶法制备BiFeO_3纳米颗粒及其磁性质研究

【摘要】： 多铁性材料是一种因为结构参数有序而导致铁电性(反铁电性)、铁磁性(反铁磁性)、铁弹性同时存在的多功能材料。铁酸铋(BiFeO3)作为一种典型的单相多铁性材料,具有远高于室温的反铁磁奈尔温度(TN)和铁电居里温度(Tc),是目前唯一在室温条件下同时表现出铁电性与磁性的材料。已有的研究表明BiFeO3的磁结构比较特殊,其基态是反铁磁态,磁相变发生在TN~643K。然而中子散射实验揭示BiFeO3反铁磁自旋序是不均匀的,呈现一种空间调制结构,其自旋表现为非公度正弦曲线排列,波长(或周期)约为~62nm。这一调制结构会导致各个离子磁矩相互抵消,使得宏观尺寸的BiFeO3在室温下仅表现出很弱的反铁磁性,严重阻碍了其实际应用的发展。 本文主要采用溶胶凝胶法制备BiFeO3纳米颗粒,并研究溶胶蒸干温度、超声辐射以及Eu离子掺杂对BiFeO3纳米颗粒的微结构、成分以及磁性质的影响,具体研究内容如下: 1)我们采用溶胶凝胶法,在不同的溶胶蒸干温度(80和150oC)以及相同的烧结温度(550oC)下,分别制备了两种BiFeO3纳米颗粒。X射线衍射(XRD)数据表明,两种样品具有相似的BiFeO3结构。虽然两种样品均表现出室温的铁磁性,然而150oC蒸干的样品磁性要远大于80oC蒸干的样品。利用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和X射线光电子能谱(XPS)对样品进行测试,可以发现增强的磁性来源于溶胶在较高温度蒸干过程中所产生的γ-Fe2O3杂相,并且该杂相在经过550oC烧结后仍然保留在样品中。我们的研究结果表明在溶胶凝胶法制备BiFeO3纳米颗粒的过程中,溶胶蒸干温度对于BiFeO3纳米颗粒的成相起着至关重要的作用。相关工作已投稿至Materials Chemistry and Physics。 2)我们将超声辐射引入到溶胶凝胶法制备BiFeO3纳米颗粒的实验工艺中。研究表明:与未经超声辐射处理的样品相比,超声辐射后的样品室温铁磁性得到了明显的增强。通过对不同样品进行不同气氛条件下的后退火处理,并结合XRD、HRTEM、XPS等测试手段,我们分析了超声辐射在增强BiFeO3纳米颗粒磁性方面的作用主要体现在两个方面,一是超声辐射导致BiFeO3纳米颗粒尺寸减小;二是超声辐射导致BiFeO3纳米颗粒表面存在氧空位。相关工作已投稿至Nanotechnology。 3)我们采用溶胶凝胶法并结合快速热退火工艺制备了不同Eu掺杂量的BiFeO3纳米颗粒。采用XRD、拉曼散射谱(Raman)、傅立叶红外透射光谱(FTIR)、XPS等测试手段对样品的微结构进行表征,发现Eu掺杂导致样品的晶格发生明显的扭曲。同时我们还发现,样品的磁性也会随着Eu掺杂量的增加而增强,这主要归因于样品晶格的扭曲以及磁性Eu3+离子与Fe3+离子之间的磁性耦合。相关工作已在Applied Physics Letter上发表,并被Virtual Journal of Nanoscale Science Technology收录。