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BiFeO_3、YFeO_3与YMnO_3基陶瓷的介电弛豫与多铁性

马妍  
【摘要】: 多铁性材料是指具有铁电、(反)铁磁与铁弹三种有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。本文系统地研究了BiFeO_3、YFeO_3与YMnO_3基陶瓷的微结构、介电弛豫与多铁性,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(Bi_(1-x)Na_x)(Fe_(1-x)Nb_x)O_3 (x=0.1,0.3和0.5)陶瓷,并评价了其介电、铁电和磁学性能。在BiFeO_3中引入NaNbO_3后,随着后者含量的增加将依次形成菱方结构的BiFeO_3基固溶体与赝立方结构的(Bi_(1-x)Na_x)(Fe_(1-x)Nb_x)O_3固溶体钙钛矿相。由于漏导的明显降低,在所研究的(Bi_(1-x)Na_x)(Fe_(1-x)Nb_x)O_3陶瓷的所有成分中都测得了更加规则的电滞回线,且随着NaNbO_3含量的增加,自发极化强度P_r增大。在550 K-600 K和650 K-710 K温度区间,(Bi_(0.9)Na_(0.1))(Fe_(0.9)Nb_(0.1))O_3陶瓷中存在着两个介电弛豫。低温介电弛豫和点缺陷相关;而高温介电弛豫和反铁磁转变相关。同时(Bi_(0.9)Na_(0.1))(Fe_(0.9)Nb_(0.1))O_3陶瓷在室温存在弱铁磁性。 采用固相反应法制备了YFeO_3陶瓷,并评价了其介电和磁学性能。在123-350K和400-623 K温度区间,YFeO_3陶瓷中存在两个介电弛豫,并在二者之间存在一个介电常数平台。低温介电弛豫是一个本征的热激活过程,符合Arrhenius定律,其激活能和电子铁电体的激活能非常接近;而高温介电弛豫和点缺陷相关。同时YFeO_3陶瓷在室温具有弱铁磁性。 用放电等离子体烧结(SPS)方法在较低温度和非常短的时间内成功制备了YFe_(1-x)Mn_xO_3(x=0.1,0.2和0.4)致密陶瓷,并评价了其介电、铁电和磁学性能。所研究的YFe_(1-x)Mn_xO_3陶瓷的所有成分中都存在一个明显的介电弛豫,它是一个热激活的过程,遵循Arrhenius定律,且随着Mn含量的增加,激活能降低。对于不同成分分别在123 K和153 K测得了规则的电滞回线。同时,所研究的YFe_(1-x)Mn_xO_3陶瓷的所有成分在室温都具有弱铁磁性。这说明,通过Mn替代Fe,可在维持YFeO_3较好室温铁磁性的基础上,得到良好的铁电性。 用SPS原位合成结合热处理的方法成功制备了致密单相的YMnO_3陶瓷,并评价了其介电、铁电和磁学性能。和固相反应法相比,制备过程大为简化。YMnO_3陶瓷在低温区(160-300 K)存在一个明显的介电弛豫,它是一个热激活的过程;在较高的温区(300-420 K)存在一个介电常数台阶。YMnO_3陶瓷在反铁磁转变温度以下具有弱铁磁性。 此外,本研究还采用SPS原位合成结合热处理的方法成功制备了YMn_(0.8)Fe_(0.2)O_3致密陶瓷,并评价了其介电、铁电和磁学性能。YMn_(0.8)Fe_(0.2)O_3陶瓷的介电温谱与YMnO_3陶瓷非常类似,在低温区(150-390 K)存在一个明显的介电弛豫,它是一个热激活的过程;在较高的温区(300-450 K)存在一个介电常数台阶。YMn_(0.8)Fe_(0.2)O_3陶瓷在153 K测得了明显的电滞回线,并且在室温和低温都存在弱铁磁性。通过Fe取代YMnO_3中的Mn,可以得到增强的室温铁磁性和良好的铁电性。


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