鉍系層狀鈣鈦礦鐵電體的磁性摻雜及多鐵性能研究.pdf_第1頁(yè)
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1、單相多鐵材料是指同時(shí)表現(xiàn)出鐵電性和磁性的單相化合物。由于單相多鐵材料中鐵電性和磁性原子層面的組合可實(shí)現(xiàn)磁電耦合量子調(diào)控,與那些傳統(tǒng)的磁性材料或鐵電材料相比,具有磁電耦合效應(yīng)的單相多鐵材料在新型信息存儲(chǔ)及磁電器件等方面有巨大的應(yīng)用潛力。本論文的核心工作是從磁性摻雜的角度,對(duì)三層及四層鉍系層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電體進(jìn)行系統(tǒng)的材料改性工作,實(shí)現(xiàn)了樣品在室溫下鐵電性和鐵磁性的共存,發(fā)現(xiàn)磁性元素對(duì)Bi4Ti3O12(BTO)及Bi5Ti3FeO15(

2、BTF)陶瓷樣品的磁改性規(guī)律,并初步探索了磁性元素?fù)诫s對(duì)BTO及BTF材料多鐵性影響的內(nèi)在機(jī)制及鐵電性和鐵磁性互相耦合調(diào)控的微觀物理機(jī)制。具體分為下面幾個(gè)部分:
  (1)研究了磁性元素A位或B位摻雜三層鈣鈦礦BTO的室溫多鐵性隨摻雜含量的變化規(guī)律及部分樣品的室溫磁電耦合效應(yīng)。采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備A位摻雜Bi3.15-xNixNd0.85Ti3O12,Bi3.15-xMnxNd0.85Ti3O12-δ和B位摻雜 Bi4FexTi

3、3-xO12-δ,Bi3.15Nd0.85NixTi3-xO12-δ,Bi3.15Nd0.85MnxTi3-xO12,Bi3.15Nd0.85CoxTi3-xO12-δ六個(gè)系列陶瓷樣品。不論是A位還是B位摻雜,磁性離子均成功進(jìn)入到類鈣鈦礦層中相應(yīng)的位置;其中A位或B位摻Ni和Mn的樣品磁滯回線呈線性,室溫磁性較弱,而Fe和Co的B位摻雜使得樣品的磁滯回線呈現(xiàn)典型的鐵磁“S”型,在摻Fe系列x=2樣品中,觀察到了較明顯的室溫磁電耦合。對(duì)于

4、磁性增強(qiáng)的內(nèi)在機(jī)制及磁電耦合機(jī)理,論文做了詳細(xì)的討論分析。
  (2)探討了B位磁共摻雜三層鈣鈦礦Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)的磁性增強(qiáng)的內(nèi)在機(jī)制及室溫正磁電容效應(yīng)的微觀物理機(jī)制。采用傳統(tǒng)固相法制備得到(Bi3.15Nd0.85)(Ti2FexCo1-x)O12-δ樣品。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),樣品仍具有三層鈣鈦礦結(jié)構(gòu);與(1)中樣品相比,F(xiàn)e和Co的共同摻雜雖同樣增加了樣品的漏流,但大大改善了樣品的磁性能。XPS價(jià)態(tài)分析結(jié)果

5、表明,樣品中Fe3+與Fe2+共存。結(jié)合價(jià)態(tài)分析的結(jié)果,論文分析討論了樣品磁性增強(qiáng)的內(nèi)在機(jī)制;在x=0.5樣品中還觀察到了較大的正磁電容效應(yīng),當(dāng)測(cè)試頻率為30 kHz時(shí),磁電容約為14.2%,而且磁電容效應(yīng)在低頻區(qū)較為顯著。
  (3)研究了磁性元素的摻雜對(duì)四層鈣鈦礦BTF的磁改性機(jī)理。深入研究了由傳統(tǒng)固相法制備的BTF、Bi5Ti3Fe0.5Ni0.5O15(BTFN)和Bi4NdTi3Fe0.5Co0.5O15(BNTFC)三

6、組陶瓷樣品的微觀結(jié)構(gòu)及各項(xiàng)性能。各樣品均形成四層鈣鈦礦結(jié)構(gòu),介電常數(shù)存在較強(qiáng)烈的介電色散,樣品鐵電性能優(yōu)良,與未摻BTF相比,Ni的B位摻雜、Nd的A位摻雜和Co的B位摻雜,確實(shí)改善了樣品的室溫鐵磁性,論文從離子半徑差及樣品中存在的可能耦合兩個(gè)方面分析了磁性增強(qiáng)的內(nèi)在機(jī)制。
  (4)系統(tǒng)研究了B位磁摻雜Bi4NdTi3(Fe1-xMx)O15(M=Ni、Mn、Cr和Co)系列陶瓷樣品的室溫多鐵性,發(fā)現(xiàn)了“x=0.3”現(xiàn)象,并對(duì)該

7、現(xiàn)象出現(xiàn)的內(nèi)在物理機(jī)制進(jìn)行了初步探討。采用改進(jìn)固相法制備了磁性元素Ni、Mn、Co和Cr摻雜的BNTF系列樣品。各系列樣品均形成了四層鈣鈦礦結(jié)構(gòu),其中摻Co和Cr的樣品為單相結(jié)構(gòu),而在摻Ni和Mn的樣品中有少量氧化物出現(xiàn)。每個(gè)系列樣品的磁滯回線均呈現(xiàn)典型的鐵磁“S”型,除了Cr對(duì)樣品磁性能改善較小外,其余三個(gè)系列的樣品,在本文實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),均當(dāng)“x=0.3”時(shí),樣品的磁性能最佳。論文從不同磁性離子的濃度比例和磁性離子摻雜位置的角度,對(duì)該現(xiàn)

8、象出現(xiàn)的內(nèi)在物理機(jī)制進(jìn)行了探討。對(duì)于室溫多鐵性能較佳的摻Ni和摻Co“x=0.3”樣品,我們進(jìn)行了室溫磁電耦合的表征,當(dāng)測(cè)試電場(chǎng)較小時(shí),與測(cè)試電場(chǎng)同步施加的外磁場(chǎng)使得這兩個(gè)樣品均表現(xiàn)出了室溫磁電容效應(yīng);當(dāng)測(cè)試電場(chǎng)較大時(shí),與測(cè)試電場(chǎng)同步施加的外磁場(chǎng)增加了摻Ni樣品的Pr和Ec的值。
  本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
  1.在三層鈣鈦礦鐵電體BTO中,尋找到了本文實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的最佳磁改性方式,即B位磁性元素共摻雜。采用B位Fe和Co

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