巨介电和室温多铁性材料的制备及物性研究

【摘要】：巨介电材料和多铁性材料是功能材料领域中两类重要的材料。巨介电材料通常指介电常数在1000以上的介电材料,其在微电子器件领域有着广阔的应用前景,对器件的小型化和高速化起着重要作用。在众多的巨介电材料中,CaCu3Ti4O12因为其巨大的介电常数、良好的温度稳定性和压敏电阻特性而备受关注。因此,研究CaCu3Ti4O12基巨介电陶瓷材料的物理起因并对其进行改性研究显得尤为必要。多铁性材料指的是材料的同一相中同时具有两种或两种以上的初级铁性,所谓初级铁性指的是铁电性、铁磁性和铁弹性。多铁性材料可以通过电场控制磁化和通过磁场控制电极化,为实现多态存储提供了可能,其在多态存储器、滤波器、磁电(电磁)传感器等领域有着巨大应用前景。由于目前发现的单相多铁性材料的多铁性大多在室温以下,限制了其实际应用,因此研究室温多铁性材料是目前学术界的热点问题。本文围绕CaCu3Ti4O12基巨介电陶瓷和Bi2Fe4O9基室温多铁陶瓷开展了一系列研究,主要研究内容如下： (1)采用柠檬酸溶胶凝胶法合成了一系列的CaCu3Ti4O12(CCTO)陶瓷样品,研究了烧结温度和时间对CCTO陶瓷样品的物相、微观结构、介电性和压敏电阻特性的影响。X射线衍射和拉曼光谱结果显示1020℃烧结5h和1080℃烧结2h均可制备出单相的CCTO。通过室温和高温介电谱研究结果发现CCTO由半导化的晶粒和绝缘性的晶界组成,采用内部阻挡层电容器模型(internal barrier layer capacitor model (IBLC))可以对其巨介电行为进行合理的解释。同时,所有样品都表现出了压敏电阻特性。 (2)采用柠檬酸溶胶凝胶法合成了一系列的Bi1/2Na1/2Cu3Ti4O12(BNCTO)陶瓷样品,通过研究不同烧结温度对BNCTO陶瓷样品的物相和介电性能的影响发现1000℃烧结样品为单相且具有最佳的介电特性。选择1000℃烧结2h、5h、10h和20h,制备出了一系列的不同晶粒尺寸的陶瓷样品。研究发现所有的样品都表现出了巨介电特性和压敏电阻行为。室温下,介电常数随着晶粒尺寸的增大而增大,在1kHz下,从1.4μm样品的14110增加到4.3μm样品的36183,同时压敏电压和非线性系数分别从112.5V/mm减小到43.2V/mm和从4.9降低到3.4。室温下,对于所有样品,在105Hz以下介电常数表现出很好的频率稳定性,在1MHz附近介电常数迅速降低表现出类德拜弛豫行为。高温介电谱研究结果表明BNCTO在高温下表现出热激活的弛豫行为,我们采用IBLC理论对BNCTO的巨介电行为进行了合理的解释,同时通过背靠背的肖特基势垒模型和砖块模型对BNCTO的压敏电阻特性进行了解释。 (3)采用柠檬酸溶胶凝胶法合成了一系列Bi1/2-xNa1/2-xBa2xCu3Ti4O12(x=0,0.025,0.05和0.075)多晶陶瓷样品,研究了Ba掺杂对样品的物相、微观结构、巨介电和压敏电阻特性的影响。研究发现,当x=0.025时,为单相样品,进一步提高掺杂量,开始有杂相出现。随着掺杂量的增多,晶粒尺寸不断降低,Ba起着抑制晶粒长大的作用。同时,所有样品均表现出巨介电和压敏电阻行为。和纯相样品相比,Ba的掺杂使样品的介电常数降低,同时压敏电压向低压方向移动。在1kHz下,介电常数从纯相样品的20004减小到x=0.075样品的7006,压敏电压降低到10.8V/mm,非线性系数降低到1.5,静电势垒高度降低到0.66eV。我们可以通过内部阻挡层电容理论对样品的巨介电和压敏电阻行为进行很好的解释。这些结果表明Ba能够起到调控BNCTO介电和压敏电阻行为的作用,BNCTO是一种潜在的巨介电-低压压敏双功能陶瓷材料。 同时采用柠檬酸溶胶凝胶法合成了一系列Bi1/2-xNa1/2-xLa2xCu3Ti4O12(x=0,0.025,0.05和0.075)多晶陶瓷样品,研究了La掺杂对样品的物相、微观结构和巨介电特性的影响。研究发现,La能够完全进入到BNCTO晶格中去,所有样品为单相样品；随着掺杂量的提高,样品的晶粒尺寸不断减小。随着掺杂量的增多,BNCTO的介电常数迅速降低。阻抗谱研究结果表明随着La的引入使得BNCTO的晶粒和晶界电阻都不断地增大,弱化了其微观IBLC结构。 (4)采用固相反应法成功合成了纯相的Bi2Fe4O9陶瓷,850℃烧结两个小时样品具有室温弱的铁磁性和铁电性,其奈尔温度为263K,研究结果表明,相对较低的预烧温度和快速退火烧结可以成功制备出单相且具有室温多铁性的Bi2Fe4O9陶瓷。采用柠檬酸溶胶凝胶法合成了一系列不同晶粒尺寸的Bi2Fe4O9(60-2000nm)陶瓷,研究了晶粒尺寸效应对Bi2Fe4O9陶瓷的磁性和铁电性的影响。研究结果表明,Bi2Fe4O9陶瓷的磁性和铁电性强烈依赖于晶粒尺寸的变化。X射线衍射结果表明,所有样品均为单相,表明使用柠檬酸溶胶凝胶法可以成功制备出单相的Bi2Fe4O9陶瓷样品。其中,60nm样品表现出弱的铁磁性,随着晶粒尺寸的增大,铁磁性逐渐减弱,直到完全变为顺磁性。磁化强度随温度的变化曲线表明,反铁磁奈尔温度(TN)随着晶粒尺寸的增大逐渐向高温区间移动。除了60nm样品外,其它所有样品都观察到了室温电滞回线,其中900nm样品因其最低的漏电流而具有最好的铁电性。 (5)采用柠檬酸溶胶凝胶法合成了一系列Ti和Cr掺杂的Bi2Fe4O9陶瓷,首先研究了Ti掺杂对Bi2Fe4O9陶瓷的结构、磁性和铁电性的影响。X射线衍射结果表明所有样品均为单相,没有其他杂相出现。跟纯相的Bi2Fe4O9相比,掺杂样品都表现出室温的铁磁性,这是因为Ti的引入破坏了Bi2Fe4O9反铁磁阻挫的自旋结构的缘故。同时适量Ti的引入可以降低Bi2Fe4O9陶瓷样品的漏电流,进而实现铁电性的增强。在所有的样品中x=0.15样品表现出最佳的多铁性,其室温下的剩余磁化强度和剩余极化强度分别为0.0188emu/g和0.262μC/cm2。 接着,研究了Cr掺杂对Bi2Fe4O9陶瓷的结构、磁性和铁电性的影响,研究结果表明所有样品均为单相；所有掺杂样品均表现出室温弱的铁磁性和铁电性,且随着掺杂量的增多,铁磁性和铁电性逐渐增强。掺杂样品弱的铁磁性源于Cr掺杂对Bi2Fe4O9自旋阻挫结构的逐渐瓦解和Fe-O-Cr之间的铁磁性相互作用；Cr掺杂导致晶格的畸变和漏电流的降低等因素是导致铁电性不断增强的原因。其中x=0.08样品在室温下的剩余磁化强度和剩余极化强度分别为0.025emu/g和0.53μC/cm2。