BiFeO3基固溶体的制备及其铁电性和磁性研究
多铁性材料是指同时具有铁电性和铁磁性等两种或者两种以上铁性的材料，其中电有序和磁有序之间有可能存在线性耦合项，即磁电耦合效应。具有磁电耦合效应的多铁性材料可以通过外加电场调控磁性能，或者外加磁场控制电性能。进一步结合各种调控手段的优势，就有可能开发出全新概念的下一代信息存储功能器件，如多态存储器，“磁读电写”硬盘等，具有非常广阔的应用前景。BiFeO3作为一种十分具有应用前景的室温多铁性材料很早就受到了人们的广泛关注。但是在BiFeO3陶瓷在制备过程中由于Bi的挥发和Fe离子价态变化易于产生杂相和氧空位等缺陷，导致体系漏电严重，难以获得较好的铁电性能;另外BiFeO3具有特殊空间调制螺旋结构（波长为62nm）和倾斜G型反铁磁序，使其在室温下表现出极弱的反铁磁性，这些都严重阻碍其潜在的应用。为了提高BiFeO3陶瓷的电学和磁学性能，人们进行了大量研究，并发现有两种主要方式:一种是利用元素掺杂，一种是BiFeO3与其他铁电体形成固溶体。本文通过对0.6BiFeO3-0.4(Bi0.5K0.5)TiO3固溶体进行Bi位和Fe位元素替代，研究了其结构、磁性、铁电及磁电耦合等性质，提高了其室温多铁性能。此外，通过在不同大小磁场下合成2BiFeO3-Bi4Ti3O12固溶体，探索了磁场对其生长机制和磁性等方面的影响。本文的主要研究内容如下: 1.利用Pechini溶胶凝胶法制备了0.6BiFe1-xCoxO3-0.4(Bi0.5K0.5)TiO3固溶体陶瓷样品。系统研究了固溶体的微结构，介电性质，铁电性质，磁性能和磁介电效应。随着Co掺杂量的增加，在x=0.1时固溶体的结构由R3c和P4mm共存向R3c结构转变。此外，Co掺杂可以有效地降低样品的烧结温度，促进颗粒的生长，提高样品的致密度，使得样品的铁电性能得到提高，其中x=0.15样品的最大剩余电极化强度可以达到57.8μC/cm2。磁性测试结果表明，0≤x≤0.1的样品表现为反铁磁性，而x=0.15的样品表现出了弱的铁磁性，主要源于CoO6和FeO6八面体中自旋倾斜的Fe和Co子晶格的Dzyaloshinsky-Moriya相互作用。 2.利用Pechini溶胶凝胶法制备了0.6Bi1-xLaxFeO3-0.4(Bi0.5K0.5)TiO3(0≤x≤0.2)固溶体块体。系统地研究了固溶体的结构，形貌特征，介电性质，铁电性质，磁性能以及磁介电效应。结果表明La掺杂能使0.6Bi1-xLaxFeO3-0.4(Bi0.5K0.5)TiO3固溶体保持R3c和P4mm两相共存的结构。所有样品都表现出介电驰豫行为，并且介电峰值都能用Vogel-Fulcher公式拟合。由于Bi含量的减小，La掺杂样品的铁电极化值减小，但是样品的磁性随着La含量的增加而增强。由于La3+离子部分取代Bi3+导致结构畸变，自旋螺旋结构被打破，使得反平行排列的Fe3+离子自旋倾斜，从而产生净磁矩。当La掺杂量x=0.2时，材料的室温剩余磁化为0.03emu/g，并且在该样品中观察到了磁介电效应。 3.采用强磁场辅助水热法制备了2BiFeO3-Bi4Ti3O12(BFTO)固溶体纳米颗粒，并系统研究了样品的微观结构，形貌特征和磁性能。结果表明随外加磁场的增加，BFTO纳米片逐渐长成沿c轴方向生长的具有{115}面的双锥体以降低体系的表面能。认为磁场可以促进奥斯瓦尔德熟化过程，负的磁场能EM对样品的熟化过程起到了十分关键的作用。此外，外加磁场能还减弱样品中的反铁磁相互作用，增强样品了的磁性。
多铁性材料;制备工艺;磁性;铁电性
中国科学技术大学
博士
凝聚态物理
杨杰
2018
中文
TM271;TM205.1
109
2018-09-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）