鉍系層狀鈣鈦礦鐵電體的磁性摻雜及多鐵性能研究.pdf

1、單相多鐵材料是指同時表現(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現(xiàn)磁電耦合量子調控，與那些傳統(tǒng)的磁性材料或鐵電材料相比，具有磁電耦合效應的單相多鐵材料在新型信息存儲及磁電器件等方面有巨大的應用潛力。本論文的核心工作是從磁性摻雜的角度，對三層及四層鉍系層狀鈣鈦礦結構的鐵電體進行系統(tǒng)的材料改性工作，實現(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摻雜對BTO及BTF材料多鐵性影響的內在機制及鐵電性和鐵磁性互相耦合調控的微觀物理機制。具體分為下面幾個部分：
　　(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。采用傳統(tǒng)固相反應法制備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，磁性離子均成功進入到類鈣鈦礦層中相應的位置；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。對于

4、磁性增強的內在機制及磁電耦合機理，論文做了詳細的討論分析。
　　(2)探討了B位磁共摻雜三層鈣鈦礦Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)的磁性增強的內在機制及室溫正磁電容效應的微觀物理機制。采用傳統(tǒng)固相法制備得到(Bi3.15Nd0.85)(Ti2FexCo1-x)O12-δ樣品。實驗發(fā)現(xiàn)，樣品仍具有三層鈣鈦礦結構；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價態(tài)分析結果

5、表明，樣品中Fe3+與Fe2+共存。結合價態(tài)分析的結果，論文分析討論了樣品磁性增強的內在機制；在x=0.5樣品中還觀察到了較大的正磁電容效應，當測試頻率為30 kHz時，磁電容約為14.2％，而且磁電容效應在低頻區(qū)較為顯著。
　　(3)研究了磁性元素的摻雜對四層鈣鈦礦BTF的磁改性機理。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構及各項性能。各樣品均形成四層鈣鈦礦結構，介電常數(shù)存在較強烈的介電色散，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方面分析了磁性增強的內在機制。
　　(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，并對該

7、現(xiàn)象出現(xiàn)的內在物理機制進行了初步探討。采用改進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構，其中摻Co和Cr的樣品為單相結構，而在摻Ni和Mn的樣品中有少量氧化物出現(xiàn)。每個系列樣品的磁滯回線均呈現(xiàn)典型的鐵磁“S”型，除了Cr對樣品磁性能改善較小外，其余三個系列的樣品，在本文實驗范圍內，均當“x=0.3”時，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，對該現(xiàn)

8、象出現(xiàn)的內在物理機制進行了探討。對于室溫多鐵性能較佳的摻Ni和摻Co“x=0.3”樣品，我們進行了室溫磁電耦合的表征，當測試電場較小時，與測試電場同步施加的外磁場使得這兩個樣品均表現(xiàn)出了室溫磁電容效應；當測試電場較大時，與測試電場同步施加的外磁場增加了摻Ni樣品的Pr和Ec的值。
　　本論文的主要創(chuàng)新點如下：
　　1.在三層鈣鈦礦鐵電體BTO中，尋找到了本文實驗范圍內的最佳磁改性方式，即B位磁性元素共摻雜。采用B位Fe和Co