多铁性材料BiFeO_3的制备与性能表征

【摘要】： 多铁性材料,由于同时具有铁电性和铁磁性使其在信息存储、自旋电子器件等方面有着潜在的应用。作为一种典型的单相多铁性材料,BiFeO_3是少数在室温下同时具有铁电性和磁性的材料之一(奈尔温度为673K,铁电居里温度为1103K),是最具有可能在室温下实现磁电耦合效应应用的主要候选材料而受到广泛关注。但是,目前在BiFeO_3的研究中,仍然存在几个难点需要克服,这主要包括其较大的漏电流和具有空间周期调制的螺旋磁结构导致其宏观磁性的消失。 本文主要研究了BiFeO_3的磁性,通过离子掺杂抑制螺旋磁结构而使其磁性增强,同时研究了BiFeO_3纳米尺度的奇特磁性。本论文采用改性溶胶凝胶技术,分别制备出单相BiFeO_3、Bi_(1-x)Ca_xFeO_3和Bi_(1-x)La_xFeO_3,并采用综合热分析仪(TG)、X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)、阻抗分析仪等分析测试手段研究了样品的结构、形貌、宏观和微观磁性等。 主要研究内容和结果如下: 1.以聚乙烯醇(PVA)为分散剂,采取快速烧结工艺用溶胶-凝胶法制备出了单相BiFeO_3陶瓷,与传统的固相烧结方法相比,溶胶-凝胶法为BiFeO_3制备提供了一种简单易行的途径。经VSM测试得出所制备的BiFeO_3室温下并未表现出弱铁磁磁性,和文献报道一致。 2.以乙二胺四乙酸(EDTA)为络合剂制备出了多晶BiFeO_3纳米颗粒。通过SEM形貌分析观测到分散均匀的近似方形颗粒,尺寸在110nm-160nm之间;通过对不同晶粒尺寸的磁滞回线分析,与M-H为线性关系的块体BiFeO_3相比,随着颗粒尺寸的减小BiFeO_3的磁性增强,这是由于颗粒尺寸的减小导致螺旋磁结构周期(62 nm)被破坏,因而BiFeO_3纳米颗粒在室温下能够表现出磁性。 3.制备了Bi_(1-x)Ca_xFeO_3和Bi_(1-x)La_xFeO_3样品,研究了Ca和La掺杂对BiFeO_3结构和性质的影响,发现Ca掺杂量为10%时,样品的结构由菱形钙钛矿结构转变为三斜结构,Ca和La对Bi位的取代有效阻止了杂相析出,通过掺杂抑制了BiFeO_3的螺旋磁结构周期,增强了磁性,同时改善了BiFeO_3的介电性能。