鐵酸鉍粉體的合成及表征.pdf

1、BiFeO<,3>具有三方扭曲的鈣鈦礦結構，室溫下同時具有兩種結構有序，即鐵電有序(T<,C>～810℃)和G型反鐵磁有序(T<,N>～380℃)，是少數室溫下同時具有鐵電性和磁性的單相鐵電磁材料之一。目前，合成BiFeO<,3>粉體的方法主要有高溫固相燒結法、溶膠-凝膠法和共沉淀法。上述方法往往很難得到純相的BiFeO<,3>，特別是高溫固相法在燒結之后需要借助硝酸去除Bi<,2>Fe<,4>O<,9>和Bi<,25>FeO<,40>

2、)等雜相，使粉體表面粗糙，實驗的重復性也不好，所以迄今為止合成純相的BiFeO<,3>仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。 本課題分別采用水熱法、共沉淀法和溶膠．凝膠法制備了BiFeO<,3>粉體。水熱合成可以在較低的溫度下進行，所得粉體有良好的結晶和分散等性質，在合適的條件下能得到純相的BiFeO<,3>。然而目前鮮見水熱合成BiFeO<,3>粉體的研究報道，且水熱條件有待進一步優(yōu)化。分別以FeCl<,3>·6H<,2>O和Fe(NO

3、<,3>)<,3>·9H<,2>O為鐵源，Bi(NO<,3>)<,3>·5H<,2>O為鉍源，氨水為沉淀劑，KOH為礦化劑，采用共沉淀法制備前驅物，水熱合成出純相的BiFeO<,3>粉體。借助X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡、能量色散譜儀、差熱分析儀和傅立葉變換紅外光譜分析對所制備的粉體的晶相結構、顯微形貌、化學成分、相變和鍵性進行了表征，并測試了粉體的磁性能。討論了鐵源、水熱處理溫度、水熱處理時間、礦化劑濃度、前驅物濃度、前驅物陳化時間

4、對粉體晶相結構和顯微形貌的影響。并對水熱合成BiFeO<,3>粉體的機理進行了初步探討。 結果表明：以FeCl<,3>·6H<,2>O為鐵源時，水熱制備純相BiFeO<,3>粉體的最佳溫度范圍是150～200℃，產物的顯微形貌為薄片狀；而以Fe(NO<,3>)<,3>·9H<,2>O為鐵源時，合成純相BiFeO<,3>的最佳溫度為180℃，且產物的顯微形貌呈不規(guī)則狀；鐵源、水熱處理溫度、前驅物濃度和前驅物陳化時間對所制備BiFe

5、O<,3>粉體的顯微形貌影響很大；所制備BiFeO<,3>粉體的尼爾溫度(T<,N>)為301℃，居里溫度(T<,C>)為828℃，分解溫度為964℃；所制備BiFeO<,3>粉體存在Fe-O鍵的彎曲振動和伸縮振動，表明FeO<,6>八面體的存在和的鈣鈦礦結構；采用共沉淀-水熱工藝，在150℃，堿濃度僅為0.0.15mol/L的水熱條件下即可合成純相的BiFeO<,3>粉體，大大降低了水熱溫度，減小了堿濃度，從而節(jié)約了能源和成本，減弱了

6、堿對水熱設備的腐蝕。 對于水熱合成鐵酸鉍粉體，其晶粒的形成機理主要取決于BiO<,2>·nH<,2>O和Fe<,2>O<,3>·nH<,2>O膠體在KOH堿性溶液中的溶解度。當水熱反應溫度較高時，前驅物的溶解度較大，此時則以溶解一結晶模型的機理為主；當水熱反應溫度較低時，前驅物的溶解度較小，溶解一結晶的動力學速度過慢，則前驅物可以經過脫去羥基(或脫水)，原子原位重排而轉變?yōu)榻Y晶態(tài)，此時BiFeO<,3>顆粒的形成主要以原位轉變模

7、型為主。 水熱條件下合成的BiFeO<,3>粉體的零場磁化率x<,AC>隨溫度的降低而單調下降，顯示出反鐵磁結構特性；其磁滯回線隨著溫度的升高，自發(fā)磁化強度明顯降低，磁滯回線變窄，剩余磁化強度和矯頑力減小約一個數量級，進一步顯示出鐵磁性隨溫度變化的特點。 采用共沉淀法，煅燒溫度為750℃時，可得到純相的BiFeO<,3>，粉體呈不規(guī)則形狀，顆粒尺寸分布范圍較寬，在1μm和5μm之間。這是因為共沉淀反應過程為表面沉淀所控制