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铁酸铋—钛酸铅多铁性固溶体的掺杂改性及性能表征

陈建国  
【摘要】:多铁性材料是指同时具有铁电(反铁电)、铁磁(反铁磁)和铁弹性能中两种或两种以上物理性能的多功能材料。这类材料包含丰富的物理效应,不仅为器件设计提供更大的自由度,同时也为基础物理研究提供了新的课题,是目前国际新型功能材料领域的研究热点。BiFeO_3-PbTiO_3(BF-PT)固溶体是一种具有准同型相界的铁电、铁磁材料,磁性转变和铁电相变温度高,铅含量较传统锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷少,在新一代多功能电子器件和高温压电换能器等方面有可预期的应用前景。然而,BF-PT陶瓷的绝缘性差、矫顽场强较大,使这一体系的压电性能难以得到表征和应用。本论文采用固相反应工艺制备BF-PT基固溶体,研究元素掺杂对BF-PT陶瓷结构、介电、压电性能和磁学性能的影响,分析了BF-PT基陶瓷的弛豫现象和导电机制,探讨了提高BF-PT基多铁性陶瓷性能的新工艺。 La掺杂(1-y)(Bi_(1-x)La_x)FeO_3-yPbTiO_3 (BLF-PT)陶瓷具有准同型相界。在相界附近,BLF-PT陶瓷的三方相和四方相共存,介电、铁电、压电和绝缘性能等都显著提高,宏观压电常数主要源于电畴转动的贡献。随La含量增加,BLF-PT陶瓷的准同型相界向钛酸铅一侧移动,相界组分的介电常数、压电常数增大,绝缘性提高,剩余极化和矫顽场强减小,电畴转动对宏观压电性能的贡献增加。进一步,随La含量增加,0.57(Bi_(1-x)La_x)FeO_3-0.43 PbTiO_3(0.57BLF-0.43PT)陶瓷的晶体结构由四方相转变为三方相;陶瓷的绝缘性、介电、铁电和压电性能提高;铁电-顺电相变温度降低,扩散性相变程度增加。当La含量为20 at%时,0.57BLF -0.43PT陶瓷具有最为优越的介电、铁电和压电性能。 Ti掺杂能够促使0.6BLFT-0.4PT陶瓷的四方相含量增加,四方相c/a比降低,介电常数和压电常数提高,高温电阻率增加,高温介电损耗减小。0.6BLFT-0.4PT陶瓷具有负的电阻温度系数;高温下,0.6BLFT-0.4PT的宏观电阻主要取决于晶粒电阻,主要载流子为氧空位,Ti掺杂降低了漏导对交流电导的贡献。 20BLF-PT的铁磁性与其介电、铁电和压电性能类似,具有明显的MPB效应。在MPB附近,20BLF-PT的铁磁性显著增强,剩余磁化和矫顽场强分别为0.11 emu/g,2.6 kOe;在Fe~(3+)离子位置引入Ga元素,进一步提高陶瓷的铁磁性;当磁场强度为0.7 T时,0.57BLFG-0.43PT陶瓷在反谐振频率下介电常数的变化量可以达到7 %,具有显著的磁介电效应。20BLF-PT陶瓷具有强铁电性的同时,铁磁性也显著增强,是高绝缘性的多铁性体。 在烧结过程中引入10 T强磁场提高了0.57(Bi_(0.9)La_(0.1))FeO_3-0.43PbTiO_3陶瓷晶化程度,明显提高了陶瓷的晶粒尺寸,陶瓷的介电、铁电性能和高温电阻率得到改善。采用溶胶-凝胶工艺制备的0.6(Bi_(0.9)La_(0.1))FeO_3-0.4PbTiO_3凝胶粉末,在600℃煅烧2 h,能够得到粒径约为40~50 nm的超细粉体。用该粉体制备陶瓷,可以在较低的烧结温度下,得到致密度好、晶粒大小约为1~2μm的陶瓷。用纳米粉制备的0.6(Bi_(0.9)La_(0.1))FeO_3-0.4PbTiO_3陶瓷具有较大的介电常数、剩余极化和压电常数,以及较好的温度稳定性。


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