摻雜BiFeO3多鐵性材料的結(jié)構(gòu)性能與應(yīng)用研究.pdf

1、多鐵性材料的研究是材料科學(xué)及凝聚態(tài)物理中的一個(gè)新的領(lǐng)域，蘊(yùn)含著豐富的材料科學(xué)與物理研究課題。多鐵性材料中存在自發(fā)的鐵電有序和磁性有序的耦合作用,也就是磁電耦合效應(yīng)(ME)。這種磁電耦合作用為磁有序和鐵電有序之間相互調(diào)控的實(shí)現(xiàn)提供了無限的可能，因此被認(rèn)為在信息存儲(chǔ)、集成電路、磁傳感器以及自旋電子器件等方面有誘人的應(yīng)用前景。在本就稀少的多鐵性材料中，BiFeO3由于在室溫以上同時(shí)存在鐵電性(Tc=1100K)和反鐵磁性(TN=650K)引起

2、了人們的極大興趣。然而，BiFeO3中的鐵磁性和鐵電性來源于不同的離子。另外，純相BiFeO3中的鐵磁性十分微弱，而且BiFeO3陶瓷粉體的制備過程會(huì)引入缺陷和雜質(zhì)，這導(dǎo)致在純相BiFeO3陶瓷粉體中很難觀測(cè)到好的電滯回線，這些限制條件阻礙我們?cè)贐iFeO3粉體中觀察到磁電耦合效應(yīng)。因此，在本論文中，我們通過A位的離子摻雜觀察BiFeO3結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的變化，從而探索其內(nèi)部的磁、電結(jié)構(gòu)以及多鐵性材料特有的磁電耦合性能。另外，我們還初步探索其

3、在電潤(rùn)濕顯示器和吸附染料廢水方面的應(yīng)用，開拓BiFeO3新的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　我們以酒石酸為絡(luò)合劑，通過酒石酸溶膠凝膠法制備出純相的Bi1.04-xBaxFeO3(x=0.10,0.20,0.30)。通過XRD和Raman測(cè)試結(jié)果，我們確定了Bi1.04-xBaxFeO3的結(jié)構(gòu)隨著x的增大從三方相（R3c）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵≒4mm）結(jié)構(gòu)。經(jīng)過VSM磁性測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)相比于其它兩個(gè)樣品，Bi0.84Ba0.2FeO3樣品的磁性最強(qiáng)（1

4、2 kOe的磁場(chǎng)下達(dá)到1.6 emu/g）。鐵電性的測(cè)試結(jié)果表明隨著x的增大，BiFeO3塊材的漏電流減小而電極化強(qiáng)度增大，Bi0.74Ba0.30FeO3飽和極化強(qiáng)度接近6.6μC/cm2。另外，基于Bi0.84Ba0.2FeO3樣品優(yōu)良的鐵磁性和鐵電性，我們測(cè)試了其在不同電場(chǎng)下的磁滯回線，結(jié)果在 Bi0.84Ba0.2FeO3的樣品中觀察到清晰的磁電耦合現(xiàn)象。隨著外加電場(chǎng)的增加Bi0.84Ba0.2FeO3的飽和磁化強(qiáng)度逐步降低，磁

5、電耦合系數(shù)α大約在1.5×10?12 s/m。
　　為了探索 BiFeO3在電潤(rùn)濕顯示技術(shù)方向上的應(yīng)用價(jià)值，我們?cè)O(shè)計(jì)并搭建了電潤(rùn)濕顯示單元，采用化學(xué)溶液沉積法制備出純相的鐠錳摻雜鐵酸鉍(Bi0.86Pr0.14)(Fe0.95Mn0.05)O3（BPFMO）薄膜，并將這種典型多鐵性材料作為介質(zhì)層加入到電潤(rùn)濕顯示單元中，不僅成功的控制了油滴的收縮和擴(kuò)張，并且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中漏電流較小，油滴在11V的電壓下就開始收縮，隨著外加電壓的增

6、強(qiáng)油滴收縮面積逐步加大，在撤去電壓后立即回復(fù)原狀，表現(xiàn)良好的重復(fù)性，這說明摻雜BiFeO3作為一種電介質(zhì)材料具有良好的介電性能，這個(gè)性質(zhì)應(yīng)當(dāng)為人們所重視。本實(shí)驗(yàn)為鐵酸鉍等多鐵性材料在電潤(rùn)濕方向上的應(yīng)用提供了初步的探索。
　　為了研究多鐵性材料BiFeO3在染料吸附方向上的應(yīng)用可能，我們通過酒石酸溶膠凝膠法和棉花模板法制備了純相的無孔BiFeO3和多孔BiFeO3。我們首先對(duì)無孔BiFeO3進(jìn)行系統(tǒng)的吸附性能研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在低溫和p

7、H=4的條件下，BiFeO3表現(xiàn)出更好的吸附效果。我們進(jìn)一步對(duì)比無孔BiFeO3和多孔BiFeO3在pH=4的條件下吸附染料羅丹明B（RHB）的吸附效果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多孔BiFeO3的吸附性能優(yōu)于普通無孔的BiFeO3。根據(jù)兩種樣品的結(jié)構(gòu)形貌以及氮?dú)馕矫摳浇Y(jié)果，我們認(rèn)為多孔BiFeO3優(yōu)秀的吸附效率來源于其中存在的管道和空腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的較高比表面積。另一方面，我們測(cè)試兩種BiFeO3樣品吸附前后的結(jié)構(gòu)和磁性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)多孔BiFeO3的磁性