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Ca替代对BiFeO_3陶瓷材料磁、介电以及薄膜光学特性的影响

苏健  
【摘要】:本论文研究了Ca~(2+)掺杂对铁磁电材料BiFeO_3结构、磁学性质、磁电耦合效应的影响,以及Ca~(2+)掺杂BiFeO_3薄膜的结构和光谱特性的影响。采用溶胶凝胶法成功制备了Bi_(1-x)Ca_xFeO_3系列陶瓷样品和薄膜样品,利用XRD物相分析评价样品的生长情况以及样品结构变化;利用SEM观察样品的表面形貌;用振动样品磁强计(vibrating-samplemagnetometer,VSM)测量样品的磁学性质;用HP4294A型精密阻抗分析仪测量样品相对介电常数(εr)随磁场的变化关系,进一步研究样品的磁电耦合效应;利用UV3600紫外-可见光-近红外分光光度计测量薄膜的透射率随光照波长的变化,并在此基础上研究了Ca~(2+)掺杂对薄膜样品禁带宽度的影响。对陶瓷样品的研究结果表明:所有样品具有良好的晶体结构,晶粒尺寸随着Ca~(2+)的引入而整体变小,在室温下均具有完整的磁滞回线,样品的铁磁性显著提高,当x=0.1时,剩余磁化强度达到最大(0.11emu/g)。在外加磁场为5000Oe时,磁矩随温度(300K-900K)变化测量显示Bi_(1-x)Ca_xFeO_3系列样品在644K附近出现明显的反铁磁相变,并且反铁磁相变温度TN随着掺杂量的增加而升高。顺磁相变温度TP以及TN和TP处磁矩的差值随Ca~(2+)的变化都呈现出先上升,在x=0.1时达到最大值,之后又降低的趋势。另外样品在850K处磁矩出现一个明显变化,并且这个变化的强度随Ca~(2+)掺杂量而改变,这种现象少见报道。不同磁场下样品磁矩随温度变化曲线表明Bi_(1-x)Ca_xFeO_3陶瓷样品存在变磁性,且当x=0.1时变磁性最为明显。外加磁场为1000Oe下,低温(50K-300K)ZFC和FC测量显示所有陶瓷样品表现出自旋玻璃态的特性。磁电耦合效应观测到样品的磁电耦合系数(MD)为负值,介电常数随外磁场变化灵敏,x=0.1时磁电耦合效应达到-14.2%,是纯相BiFeO_3(-5%)的近3倍,这表明适量的Ca~(2+)掺杂能够增强样品的磁电耦合性能。薄膜样品XRD分析表明结晶良好,未出现杂相。Ca~(2+)掺杂使得BiFeO_3的晶格结构由斜六面体转变为三角晶系。薄膜样品的透射率和禁带宽度测量表明Ca~(2+)掺杂使得样品平均透射率降低,同时随着掺杂量的增加,样品的禁带宽度降低。这说明Ca~(2+)的引入可有效的调控BiFeO_3的透射率和禁带宽度。


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