鐵酸鉍基多鐵性材料的制備與物性研究.pdf

1、鐵酸鉍（BiFeO3）作為目前唯一的室溫多鐵性材料，在多態(tài)信息存儲器、傳感器、非線性磁光效應和自旋電子器件等方面有著廣泛的應用前景，但純相材料的制備困難、高漏導以及弱磁性等問題一直制約其發(fā)展和應用。針對這些問題，本論文著重于A位堿土/稀土離子摻雜、B位3d過渡金屬離子摻雜及與ABO3型鈣鈦礦鐵電磁體固溶的改性研究。我們詳細地研究了上述體系的結構、形貌、鐵電性質、磁性質及磁介電性質等各方面的物理性質，對體系的晶體結構和多鐵響應及電、磁等方

2、面物理性質的關聯有了深入的理解。主要內容包括如下：
　　首先，采用快速液相法制備了系列堿土離子摻雜的陶瓷樣品Bi1·xAxFeO3(A= Ca,Sr,Pb,Ba)，研究了二價堿土離子摻雜BiFeO3陶瓷中缺陷的存在形式以及摻雜對BiFeO3多鐵性質的影響。發(fā)現二價的堿土離子替代Bi3+離子將會在晶格中產生大量的氧空位缺陷，同時可以明顯地改善BiFeO3的磁性。探討了同樣具有6s孤對電子的Pb2+離子摻雜對BiFeO3鐵電畸變的影響

3、，發(fā)現Pb2+離子摻雜將導致BiFeO3的晶體結構由菱方相向高對稱性的立方相轉變，減小了Bi3+離子偏離中心對稱位置的極化位移，破壞了BiFeO3的鐵電性。同時研究了摻雜離子半徑和相應樣品磁性提高的關聯性，發(fā)現摻雜離子半徑越大將導致更大的磁各向異性，從而更有效地提高BiFeO3的磁性。
　　第二，采用快速液相燒結法制備了 Bi1-xEuxFeO3（0≤x≤0.3）陶瓷樣品，系統(tǒng)地分析了小半徑的稀土Eu3+離子摻雜對BiFeO3結構

4、與多鐵性能的影響?；诓煌目臻g群對Eu摻雜BiFeO3體系進行了結構精修，由此發(fā)現該體系由于摻雜導致的化學內壓力而發(fā)生由菱方(R3c)到正交(Pn21a)的結構相變。研究結果揭示摻雜導致的室溫多鐵性質變化具有強烈的結構依賴性。系統(tǒng)的探討了稀土摻雜BiFeO3陶瓷晶格結構與磁性之間的關聯，定量的計算了摻雜導致的磁各向異性常數，進一步證實磁性的提高可以歸因于結構畸變導致的磁各向異性的變化。采用快速液相燒結法制備了Bi0.9La0.1FeO

5、3和Bi0.85La0.1Ho0.05FeO3陶瓷樣品，研究了摻雜離子的性質對BiFeO3結構與多鐵性能的影響。研究結果表明大離子半徑的非磁 La3+離子穩(wěn)定了 BiFeO3的鈣鈦礦結構、減小了漏導，而小半徑磁性Ho3+離子的同時引入導致BiFeO3菱方畸變增大，進而抑制了其螺旋磁結構。La、Ho共摻雜使得改性效果得以優(yōu)化，進而明顯改善了BiFeO3的室溫磁電性能。
　　第三，鑒于BiFeO3的磁性能與其B位的Fe3+離子有關，基

6、于第一性原理計算研究了Co摻雜對BiFeO3的磁結構、電子結構和能帶結構的影響。發(fā)現摻雜導致原有的G型反鐵磁序發(fā)生變化，形成了亞鐵磁序的磁結構，材料的鐵磁性有了明顯的提高。采用高溫高壓技術提高了Co在BiFeO3的固溶度，制備了單相的BiFe1-xCoxO3（x=0，0.1，0.2）系列陶瓷樣品。拉曼光譜分析表明摻入的Co占據 Fe位，同時在 Co摻雜的樣品中存在 Fe3+和Co3+離子之間的耦合。通過理論與實驗結果的比較，我們探討了C

7、o摻雜對BiFeO3多鐵性能影響的物理機制，進一步證實了體系磁性能的改善歸結于Fe3+-O-Co3+的磁性耦合相互作用。
　　第四，鑒于目前室溫多鐵性材料非常稀少，我們采用高溫高壓技術制備了一種新的多鐵性固溶體材料(l-x)BiFeO3-xGdCrO3（x=0，0.1，0.2），系統(tǒng)地研究了該固溶體系的結構、介電、鐵電和磁學性能，并探討了其相關物理機制。發(fā)現多鐵性的GdCrO3的引入使得 BiFeO3的晶體結構由菱方畸變?yōu)檎烩}鈦

8、礦結構。而在準同型相界（x=0.1）附近，體系表現出良好的室溫多鐵性質。通過精確的結構分析發(fā)現磁性的提高歸因于結構畸變導致的Fe3+離子自旋傾斜夾角的變化以及Fe3+離子與Cr3+離子之間的磁性相互作用；同時Gd3+離子對樣品低溫下的磁性提高有很大的貢獻。此外，樣品中明顯的磁介電效應表明在此體系中存在著鐵電序和磁有序之間的耦合。
　　通過以上從改善單相多鐵性材料 BiFeO3的磁性和鐵電性能的物理機制出發(fā)，實現了各種物理性能的提高