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(Bi,Ca)(Fe,Ti)O_3与Ca(Ti,Mn)O_3多铁性陶瓷的结构及性能

王晴晴  
【摘要】:多铁性材料是指具有铁电、(反)铁磁与铁弹三种铁性序中两种或两种以上的铁性材料。由于其丰富的物理内涵与诱人的应用前景,多铁性材料正成为凝聚态物理与材料科学的热点研究领域。本论文系统研究了BiFeO3-CaTiO3基陶瓷的微结构、多铁性、低温介电弛豫现象以及Mn改性CaTiO3陶瓷的介电和多铁性能,并讨论了其物理本质,得到以下主要结论: 采用固相反应法制备了(Bi1-xCax)(Fe1-xTix)O3 (x= 0.1,0.15,0.2,0.3,0.4)陶瓷,并评价了其介电、铁电和磁学性能。改性后的BiFeO3陶瓷结构稳定性增强,形成了均一的单相固溶体。随着CaTiO3含量的增加,固溶体相的结构从菱方畸变钙钛矿(R3c,x≤0.2)转变为正交(Pbnm,x≥0.3)结构。通过引入CaTiO3, BiFeO3基陶瓷的多铁性能得到明显改善,当CaTiO3含量为0.2时,陶瓷性能最佳。T=5K时,(Bi0.8Ca0.2)(Fe0.8Ti0.2)O3陶瓷的剩余磁化Mr= 0.26 emu/g,矫顽磁场Hc= 6.74 kOe.与其它研究相比,剩余磁化显著增大,这可能是由于Ti4+置换B位Fe3+,破坏了BiFeO3陶瓷的螺旋结构而使得其出现了宏观磁性。铁电测试表明,改性后陶瓷的漏电流密度明显减小,电滞回线趋于更规则,剩余极化增大。另外,陶瓷试样的介电常数增大,同时介电损耗明显降低,这说明改性陶瓷的介电性能也得到了提高。 对于以上制备的陶瓷样品,增加了更多的组分,重点关注了其低温介电性能。(Ca1-yBiy)(Ti1-yFey)O3 (y= 0.2,0.4,0.6,0.7,0.8,0.85,0.9)陶瓷样品中,当y≤0.7时,其介电温谱在低温区域出现了明显的弛豫峰,且随着BiFeO3含量的增加,弛豫峰向高温移动,介电常数和弛豫峰强度明显增加。ε’-T曲线较好的符合Barrett公式。当y≥0.8时,其介电温谱出现了两个弛豫峰。高温弛豫峰可能与烧结过程中形成的点缺陷有关,低温介电弛豫符合Vogel-Fulcher拟合,说明了其具有弛豫铁电性。BiFeO3的加入,有效抑制了CaTiO3陶瓷样品中的量子波动,诱导出了固溶体陶瓷的铁电相变。 此外,还研究了Ca(Ti1-xMnx)O3 (x= 0.025,0.05)陶瓷的介电及多铁性能。研究表明通过固相反应法合成了单相的陶瓷,空间群为Pbnm。Mn的含量增多时,不易合成单相,且陶瓷的漏电流和损耗都增大,不利于铁电性的评价。当降低样品的测试温度时,能够有效降低样品中的漏电流,测得较规则的电滞回线。所制备的陶瓷呈现顺磁性,并没有发生铁磁相变。


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