BiFeO3多鐵性陶瓷材料的sol-gel制備與表征.pdf

1、多鐵性材料，由于其同時(shí)具有鐵磁有序、鐵電有序或鐵彈有序而且它們之間在一定溫度范圍內(nèi)存在磁電耦合的特性，因此，它們在信息存儲、自旋電子設(shè)備以及傳感器等方面都頗具發(fā)展?jié)摿Γ貏e是在新型的四態(tài)存儲器方面具有誘人的應(yīng)用前景，并且此類材料中具有非常有價(jià)值的物理研究意義。在所有的單相多鐵性材料中，同時(shí)具有鐵電性和反鐵磁性的BiFeO3材料由于具有高的鐵電居里溫度(TC~830℃)、反鐵磁尼爾溫度(TN~370℃)和比較高的自發(fā)極化值(~100μC·

2、cm-2)而成為首選的可以在室溫下應(yīng)用的磁電材料。因此，BiFeO3成為目前研究的熱點(diǎn)材料。自從上個(gè)世紀(jì)60年代 BiFeO3被發(fā)現(xiàn)以來，關(guān)于其結(jié)構(gòu)和特性的研究報(bào)道很多，就其應(yīng)用而言，仍有幾個(gè)難點(diǎn)需要攻克。為了適應(yīng)電路集成的需求，合成溫度要求在一定溫度以下；由于BiFeO3高溫?zé)崃W(xué)不穩(wěn)定性，在合成過程中，避免形成Bi25FeO39和Bi2Fe4O9第二相，單相BiFeO3的制備仍是一個(gè)挑戰(zhàn)；BiFeO3的漏電流問題以及螺旋磁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其

3、室溫宏觀磁性的消失；為了未來存儲器件達(dá)到更高的運(yùn)算速度，目前GHz頻段的性能研究顯得格外重要。
　　本文的工作正是針對上述存在的問題展開的，主要研究內(nèi)容有：
　　通過一種簡單的乙二醇基溶膠凝膠法使 BiFeO3合成溫度降低到450℃，加入乙酰丙酮穩(wěn)定劑后，合成溫度進(jìn)一步降低到400℃，并對其中的化學(xué)反應(yīng)過程以及由干凝膠到最終完全晶化的BiFeO3進(jìn)行了詳細(xì)的研究，BiFeO3形成的化學(xué)方程式為 Bi2O2CO3+Fe2O32

4、BiFeO3+CO2。另外，溶膠凝膠法合成了 BiFe1-xTaxO3粉體樣品，通過控制水解聚合平衡反應(yīng)，獲得了均勻穩(wěn)定的溶膠。
　　BiFeO3納米顆粒表現(xiàn)出明顯的磁性尺寸效應(yīng)，磁性隨著顆粒尺寸的減小而增強(qiáng)，這種不同于塊體材料反鐵磁行為的鐵磁性質(zhì)主要是由于隨著顆粒尺寸的減小，比表面積增大，在顆粒表面的長程反鐵磁有序被破壞程度增大，表面未飽和自旋對顆粒的總磁矩的貢獻(xiàn)增大，本征周期長度為~62nm的螺旋磁結(jié)構(gòu)遭到部分壓制。另一個(gè)原因

5、是在小顆粒中表面各向異性對磁行為起主要作用，表面應(yīng)力各項(xiàng)異性可能也導(dǎo)致了所觀察到的弱磁行為。Ta摻雜導(dǎo)致 BiFeO3樣品磁性提高了一個(gè)數(shù)量級，矯頑力和交換偏置場明顯降低，磁性的提高主要是由于摻雜后的晶格畸變引起 FeO6八面體的傾斜釋放了鎖定在周期螺旋磁結(jié)構(gòu)中的潛在磁矩以及Fe2+離子與Fe3+離子的分布。330℃的介電反常說明 BiFeO3納米顆粒中存在鐵電和磁性之間的耦合效應(yīng)。BiFeO3樣品在15GHz附近存在一個(gè)介電弛豫響應(yīng)，

6、應(yīng)該是和過阻尼振動聯(lián)系在一起的；Ta摻雜后樣品在12.5和14.6GHz附近表現(xiàn)出兩個(gè)共振型介電響應(yīng)，并且14.6GHz附近的共振峰強(qiáng)度隨著 Ta摻雜含量的增加而減弱，共振響應(yīng)應(yīng)該是和阻尼振動聯(lián)系在一起的。BiFeO3納米顆粒表現(xiàn)出可逆鐵電相變，鐵電相變溫度為827℃。
　　采用溶膠凝膠旋涂法在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制備了(100)擇優(yōu)取向的BiFeO3薄膜和SrBi2Ta2O9/BiFeO3/SrBi2Ta2O9三明治

7、結(jié)構(gòu)薄膜，合適的基底熱處理工藝(600℃,10min)、層層晶化熱處理工藝、低的溶膠濃度、臨界薄膜厚度以下是獲得高(100)擇優(yōu)取向BiFeO3薄膜的前提。SrBi2Ta2O9/BiFeO3/SrBi2Ta2O9三明治結(jié)構(gòu)的層狀復(fù)合薄膜中，無任何雜質(zhì)相存在，SrBi2Ta2O9緩沖層并沒有改變 BiFeO3薄膜(100)擇優(yōu)取向結(jié)構(gòu)，薄膜表面晶化很好、致密、晶粒大小均勻、表面光滑，截面整齊連續(xù)、為獲得優(yōu)良的鐵電、磁性能提供保障。

8、　　采用溶膠凝膠(乙二醇基溶膠凝膠法和檸檬酸硝酸鹽法)制備得到粉體作為初始材料，經(jīng)過冷等靜壓成型、無壓燒結(jié)得到塊體陶瓷，研究了BiFeO3陶瓷的高溫?zé)崃W(xué)穩(wěn)定性以及試圖制備單相陶瓷的方法，進(jìn)一步觀察晶粒的生長和陶瓷中的缺陷。檸檬酸硝酸鹽法制備BiFeO3粉體時(shí)，由于檸檬酸為絡(luò)合物的溶膠容易形成二聚物化合物，導(dǎo)致凝膠中Bi-Fe異質(zhì)形核排列不能作為主要的形核方式，Bi、Fe元素在凝膠中分布不均勻，燒結(jié)的陶瓷中BiFeO3、Bi2Fe4O9