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铁酸铋基陶瓷的制备及多铁性研究

王戈明  
【摘要】: 多铁性材料,是指同时具备铁电性(反铁电性)、铁磁性(反铁磁性)和铁弹性中两种或两种以上耦合性质的一类全新材料,在新型存储器件,自旋电子器件和传感元器件等功能材料领域有着广泛的应用前景。钙钛矿结构磁电功能材料铁酸铋(BiFeO3)是目前发现的极少数能在室温下同时存在铁电性(Tc=1100K)和反铁磁性(TN=650K)的单相多铁性材料,具有诱人的应用前景。但BiFeO3,尤其是其陶瓷材料,存在纯相合成难、漏导电流高、磁性微弱、磁电耦合弱等致命缺点,严重制约了它的大规模应用。研究表明,引入新的制备技术、A位稀土元素-B位高价态阳离子或磁性离子掺杂和AB03结构固溶体改性,是提高BiFeO3多铁性能的有效途径。 基于以上思路,本文设计了两组实验:(一)以硝酸铋、硝酸铁、硝酸镝等为原料、以柠檬酸为螯合剂,采用新颖的柠檬酸盐—自燃烧法制备了纯BiFeO3、A位稀土掺杂Bi1-xDyxFeO3(x=0.05,0.1,0.15和0.2)陶瓷前驱体并制备相应陶瓷。(二)在柠檬酸盐-自燃烧法成功合成Bi0.9Dy0.1FeO3粉体的基础上,以氧化铋、二氧化锰、二氧化钛等为原料,采用固相反应法制备Bi0.9Dy0.1MnxFe1-xO3 (x=0.05,0.1,0.15,0.2)系列陶瓷和xBi0.9Dy0.1FeO3-(1-x) BaTiO3(x=0.2,0.4,0.5,0.6,0.8)固溶体系。本文运用热重-差热分析、X射线衍射、环境扫描电子显微镜、铁电参数测试仪、振动样品磁强计等仪器表征样品的晶体结构、微结构、铁电性和磁性,系统研究了制备工艺、结构、掺杂效应和性能之间的关系,为BiFeO3基陶瓷材料的应用奠定一定的工艺和理论基础。 本文的主要研究内容如下: 1.探讨柠檬酸盐—自燃烧法合成BiFeO3前驱体和陶瓷的工艺条件。在理论分析的基础上,通过对比实验,系统研究了前驱体溶液pH值、金属阳离子与柠檬酸的摩尔比、前驱体预烧温度、陶瓷烧结温度对单相BiFeO3的物相、粒径、磁性能、铁电性等性质的影响,并得出最佳工艺参数。 2.柠檬酸盐-自燃烧法合成的Dy3+掺杂BiFeO3陶瓷前驱体的室温磁性能得到明显改善。当x=0.1时,样品粒径最小为126nm,饱和磁化强度可达最高值2.2emu/g。深入分析了前驱体粉体磁性能增强的来源,阐明尺寸效应和晶格畸变对粉体磁性的作用机理。 3.建立钙钛矿反铁磁模型,探讨A位掺杂增强磁性机理,预测Dy3+掺杂将使BiFeO3获得所有稀土掺杂中最大的饱和磁化强度。A位引入Dy3+掺杂,陶瓷磁性能的增强归结于Dy3+具备稀土元素中最大的|mRe-5.92|值(mRe为稀土元素离子bohr磁子)和晶格畸变。Dy3+、Mn4+共掺杂陶瓷的磁性进一步增强,当Mn4+量达到10%时,Bi0.9Dy0.1Mn0.15Fe0.85O3陶瓷晶格畸变最大(a=5.57 A,c=6.85 A,c/a=1.229),对应有所有陶瓷样品中饱和磁化强度的最高值5.4emu/g。晶体结构的扭曲和可能存在的Fe3+-Mn4+-O-Mn4+-Fe3+超交换作用是共掺BiFeO3陶瓷磁性增强的诱因。 4.A位掺杂Dy3+将降低Bi的挥发且导致Fe06八面体的变形;而Mn4+离子B位取代Fe3+,降低了氧缺陷的数量,提高致密度和电阻率,这些都使得Dy3+和Dy3+、Mn4+共掺杂陶瓷的铁电性能比纯相BiFeO3陶瓷有明显改善。 5.以0.5Bi0.9Dy0.1FeO3-0.5BaTiO3为研究对象,结合晶体结构分析,探讨了该体系固熔体最佳预烧温度和最佳烧结温度;详细研究了xBi0.9Dy0.1FeO3-(1-x) BaTiO3体系粉体和陶瓷的物相转变和铁电性、磁性之间的关系。相转变范围为x=0.5-0.8之间,所制陶瓷均表现出一定的铁电性,饱和极化强度值随x值增加先增大后减小。当x=0.4时,陶瓷铁电性最好,饱和极化强度为16.4μC/cm2,剩余极化强度为15.2μC/cm2。陶瓷磁性随x增大而递增。


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