Sr、Co共摻雜鉍層狀結(jié)構(gòu)氧化物的制備及其多鐵性能研究.pdf

1、多鐵材料是指同時具有極化有序和磁化有序的一類材料。由于在絕大部分材料中，鐵電性和鐵磁性對d電子的要求是相互排斥的，所以很長一段時間以來，室溫以上多鐵材料，只有“明星”材料鐵酸鉍(BiFeO3，BFO)為大家所公認。但BFO是反鐵磁的，磁性比較弱，而且一般漏電也比較大，因此并不適合作為器件應(yīng)用。2009年，Lu等首次報道Aurivillius層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物Bi5Fe0.5Co0.5Ti3O15材料同時具有室溫以上的鐵電性和鐵磁性。這

2、類新材料的設(shè)計和制備為人們研究和探索高溫多鐵材料打開了一個大門，并有望被應(yīng)用到信息存儲、傳感器和其他自旋電子器件中。
　　本論文以進一步提高Aurivillius層狀結(jié)構(gòu)氧化物的鐵電性和鐵磁性為目標，主要進行以下研究，包括:1）Sr摻雜對Bi7Fe1.5Co1.5Ti3O21材料結(jié)構(gòu)和性能的影響關(guān)系研究;2）新材料的設(shè)計和制備，即SrBi4Ti4O15基多鐵氧化物的插層法制備研究，及其室溫和高溫(100℃)下的磁介電和磁電耦合等性

3、能研究;3）Sr、Co共摻雜的Aurivillius氧化物的多晶薄膜制備研究及性能影響關(guān)系研究等。論文主要結(jié)果如下:
　　第一章:主要介紹了1）多鐵材料的相關(guān)概念、材料種類和形式等背景知識;2) Aurivillius層狀鈣鈦礦氧化物材料的結(jié)構(gòu)和研究發(fā)展歷史，著重介紹了Aurivillius結(jié)構(gòu)材料從作為磁電材料，到后來成為高溫（室溫以上）多鐵材料的“新寵”的發(fā)展過程;3）分析目前Aurivillius結(jié)構(gòu)氧化物在多鐵性的提高及應(yīng)

4、用等方面所面臨的主要問題及可能影響的因素;4）確立了本論文的研究方向，即:Aurivillius結(jié)構(gòu)材料的A、B位摻雜對鐵電和鐵磁等多鐵行為的改性研究，室溫以上多鐵材料的磁電耦合效應(yīng)研究，嘗試Aurivillius結(jié)構(gòu)材料的器件化應(yīng)用研究等。
　　第二章:介紹了多鐵材料的常規(guī)制備方法，主要是針對制備多鐵陶瓷而言，包括粉體的制備和陶瓷的燒結(jié)。另外，還介紹了以傳統(tǒng)弛豫鐵電材料[(1-x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3

5、，PNN-PT]為載體的制備方法的研究和討論。最后，介紹了多鐵材料測試的常用表征技術(shù)、方法和設(shè)備，并著重介紹了表征多鐵材料磁電耦合特性的一些手段和方法，如磁介電、磁電耦合系數(shù)測量裝置等。
　　第三章:為進一步提高Bi7Fe1.5Co1.5Ti3O21的多鐵性能，在A位用Sr離子摻雜，并探討Sr2+離子摻雜對材料的結(jié)構(gòu)和鐵電、鐵磁性能的影響關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)Sr摻雜濃度較小時，Sr2+離子取代可有效提高材料的鐵電和鐵磁性能。室溫下，當(dāng)

6、Sr濃度為0.25時的陶瓷樣品性能最好，在施加100 kV/cm電場時的剩余極化2Pr為～2.89μC/cm2，剩余磁化強度2Mr為～2.27 emu/g;但是，當(dāng)Sr摻雜濃度大于0.25時，Aurivillius主相的結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌，并形成具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的第二相Sr1-mBimFe1-iCoiO3-γ，嚴重惡化樣品性能。因此在Sr摻雜Aurivillius多鐵化合物中，如何有效地抑制Sr2+離子摻雜引起的結(jié)構(gòu)坍塌是一項極其有意義的工作。

7、
　　第四章:采用磁性材料插層方法設(shè)計并制備了SrBi5Fe0.5Co0.5Ti4O18新材料。室溫下，該新材料的剩余極化2Pr為52.4μC/cm2，剩余磁化強度Mr為1.12 emu/g。研究發(fā)現(xiàn)這種新材料具有優(yōu)異的“高溫”磁電耦合效應(yīng)，其有效耦合溫度可以達到100℃，磁電耦合系數(shù)高達～350μV·cm-1·Oe-1。相比目前的文獻報導(dǎo)，超過了當(dāng)今在研究的所有單相多鐵材料。這樣，基于這種新材料的磁傳感器在室溫下、較低磁場時就能

8、有可觀的電壓信號輸出，使得具有本征磁電耦合效應(yīng)的單相多鐵材料的應(yīng)用成為現(xiàn)實，這對于基礎(chǔ)物理研究和器件應(yīng)用（如傳感、存儲和量子控制等）有著極其重要的意義。
　　第五章:研究了金屬鉑電極對SrBi5Fe1-xCoxTi4O18(SBFCT-x)多晶薄膜的層狀結(jié)構(gòu)演變和多鐵性能的影響。重點探討了鉑金屬底電極對含Co元素的Aurivillius相薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著Co含量的提高，在樣品和襯底界面處易形成具有極高導(dǎo)電性