單相BiFeO3基多鐵陶瓷的結(jié)構(gòu)、鐵磁、鐵電及壓電性質(zhì)研究.pdf

1、多鐵性材料通常指同時(shí)具有鐵電性和鐵磁性的材料。BiFeO3是一種代表性的單相室溫多鐵材料，其高的居里溫度（TC=830℃）和尼爾溫度（TN=370℃）及多鐵性耦合賦予了它在功能器件方面潛在的廣闊應(yīng)用前景，是當(dāng)前凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究前言和熱點(diǎn)課題。本論文以BiFeO3基鈣鈦礦材料為研究對(duì)象，構(gòu)建出(1-x)BiFe1-yMyO3-xATiO3（M: Sc和Mn，A為+2價(jià)復(fù)合金屬離子）陶瓷體系，重點(diǎn)研究了材料的結(jié)構(gòu)、多鐵性、壓電

2、性、介電性及工藝制度對(duì)材料宏觀性能影響，討論了材料結(jié)構(gòu)與宏觀特性的內(nèi)在聯(lián)系，得到如下結(jié)論:
　　(1)采用固相法制備出0.725BiFe1-xScxO3-0.275BaTiO3+1 mol％ MnO2多鐵性陶瓷，重點(diǎn)研究了Sc摻雜和燒結(jié)溫度對(duì)其微結(jié)構(gòu)、多鐵性、壓電性的影響。研究表明，該陶瓷在較低燒結(jié)溫度范圍(930-990℃)內(nèi)能形成致密的高純度鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。燒結(jié)溫度為960℃的x=0.01-0.02陶瓷組分具有高的電阻率(～2×1

3、09Ω·cm)、強(qiáng)的鐵電性（Pr=19.1-20.4μC/cm2）、好的壓電性(d33=127-128 pC/N，kp=36.6-36.9％)和高的居里溫度（TC=618-636℃）。陶瓷鐵電性提高的主要原因在于Sc離子具有空的d軌道，它能通過與O2p軌道雜化來穩(wěn)定陶瓷的鐵電扭曲;此外，Sc3+的八配位離子半徑比Fe3+大，少量的Sc3+摻雜能降低陶瓷的容忍因子t，t減小導(dǎo)致TC增大。燒結(jié)溫度的提高能改善陶瓷的致密度、電絕緣性、鐵電性和

4、壓電性。少量的非磁性Sc3+摻入（主要原因）和燒結(jié)溫度的升高均能降低鐵酸鉍的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，破壞鐵酸鉍的螺旋磁結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致磁化強(qiáng)度增加。x=0.04（燒結(jié)溫度為960℃）和x=0.02(燒結(jié)溫度為1050℃)的剩余磁化強(qiáng)度Mr分別為0.059 emu/g和0.10 emu/g。當(dāng)x＞0.04時(shí)，Sc3+同時(shí)部分取代Bi3+和Fe3+，導(dǎo)致陶瓷中出現(xiàn)新的反鐵磁有序，從而降低陶瓷磁化強(qiáng)度。
　　(2)為了尋找出多鐵性能更加優(yōu)異，居里

5、溫度更高的多鐵性陶瓷，本論文構(gòu)建了(1-x)BiFeO3-xBa0.6(Bi0.5K0.5)0.4TiO3+1 mol％ MnO2材料，系統(tǒng)研究了材料的結(jié)構(gòu)、多鐵性及壓電性。研究結(jié)果表明，所有陶瓷均表現(xiàn)出好的電絕緣性，擁有高的電阻率(1.97×109-1.20×1010Ω·cm)。Ba0.6(Bi0.5K0.5)0.4TiO3摻入之后，陶瓷在高溫下出現(xiàn)兩個(gè)介電峰（T1=～453-710℃，T2=716-755℃），組分為x=0.275時(shí)

6、具有較好的壓電性能。Ba0.6(Bi0.5K0.5)0.4TiO3的摻雜和燒結(jié)溫度的提高均能顯著提高陶瓷鐵磁性。在1040℃下燒結(jié)x=0.25組分陶瓷具有最高的剩余磁化強(qiáng)度Mr=0.13emu/g。
　　(3) MnO2因其多變價(jià)化學(xué)特性，是壓電鐵電材料中最頻繁使用的改性氧化物。本文在上述研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建了0.725BiFe0.96Sc0.04O3-0.275BaTiO3+x MnO2體系，研究了Mn含量(0-8 mol％)變化對(duì)

7、0.725BiFe0.96Sc0.04O3-0.275BaTiO3陶瓷結(jié)構(gòu)、磁性和電性能的影響。研究表明MnO2的摻加對(duì)改善陶瓷的鐵磁性、電絕緣性、壓電性及鐵電性具有決定性影響。XRD研究顯示出適當(dāng)Mn的摻入能得到純度高的單相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。少量的Mn摻入(x=0.005)能使樣品產(chǎn)生很深的勢(shì)阱，從而降低材料的漏電流。Mn含量的繼續(xù)增加，雖然降低Fe2+和氧空位的濃度，但過量的Mn離子造成體系中Mn離子價(jià)態(tài)產(chǎn)生波動(dòng)，反而降低電子勢(shì)阱，導(dǎo)致材