论文部分内容阅读
BiFeO3是目前唯一的室温单相多铁性材料,其同时具有室温铁电性（Tc=1098K）和反铁磁性（TN=643K）,在多铁性材料研究领域中占有重要地位。其较高的铁电居里温度、较大的自发极化（～100μC/cm2）和室温下可以观察到的磁电耦合现象都受到广泛的研究。但同时现阶段BiFeO3陶瓷的研究和应用还存在一些问题:陶瓷高温热力学不稳定,易生成杂质相导致相纯度较低;陶瓷难以烧结导致致密度较低;Fe3+易变价导致漏电流大,难以得到饱和的磁电性能;R3c对称性限制陶瓷电畴的翻转。针对上述BiFeO3陶瓷存在的主要问题,本文设计了A位稀土元素（Nd）掺杂,B位过渡元素（Mo/Zr/Ti）掺杂的BiFeO3基陶瓷,通过构建准同型相界结构（MPB）,采用固相反应法的制备工艺,得到了高纯高致密的BiFeO3基陶瓷;研究了其结构演变的规律和相关的磁电性能。同时对BiFeO3陶瓷进行第一性原理计算,利用理论数据分析解释相关性能。首先,合成得到了不同Ti掺杂量的Bi0.85Nd0.15Fe1-yTiyO3陶瓷,研究了Ti含量对物相结构和磁电性能的影响规律。XRD和TEM分析显示其在同一晶粒内部同时存在极性R3c相、反极性Pnam相和非极性Pnma相,为典型的MPB结构。Ti掺杂可以减小体系的平均晶粒尺寸,3%～7%的Ti掺杂体系的晶粒尺寸明显减小。铁电性能最优异组分为Ti含量y=0.01,在180k V/cm场强下剩余极化Pr为35.0μC/cm2。其次研究了B位离子种类对Bi0.85Nd0.15Fe0.99B0.01O3（B=Mo/Zr/Ti）陶瓷结构演变和磁电性能的影响规律。XRD精修结果表明三个体系均为R3c、Pbam和Pnma三相共存的MPB结构;对于Pbam中间相含量来说,Mo掺杂体系为0.16%,Zr为13.78%,而Ti为25.95%。Ti掺杂体系陶瓷的铁电性能最优,Zr体系次之,而Mo掺杂电滞回线矩形度最低;漏电流分析结果表明在BiFeO3基陶瓷中漏电流的大小并不是影响铁电性能的关键因素。Zr掺杂体系其介电常数存在明显的频率色散关系,同时其交流电导率最大,XPS谱线中氧空位和缺陷含量较高,这都说明Zr掺杂体系中缺陷和氧空位的含量较高。同时还合成了不同Nd含量的Bi1-xNdx Fe0.99Zr0.01O3陶瓷。其物相结构的演变规律为:随着Nd含量的增加,体系由R3c相逐渐过渡到Pbam中间相,最终演变为Pnma正交相。铁电和压电性能均随Nd含量的增加先增大而后减小,在x=0.125组分下性能最优异,150k V/cm场强下剩余极化Pr为27.7μC/cm2;压电系数为d33为44.5p C/N。体系的电导机制可以认为是重叠的大极化子隧道（OLPT）电导,x=0.125组分电导率最大;直流电导率σdc与温度T之间符合阿伦尼乌斯定律。BiFeO3陶瓷第一性原理计算优化后的晶胞参数a=b=c=5.644?,α=β=γ=59.333°。键合分析表明BiFeO3晶胞中三个较短（1.963?）的Fe-O键为共价键,三个较长（2.156?）的Fe-O键为离子键;所有的Bi-O键均为离子键,O-O键均为反键。能带结构表明其为直接带隙半导体,禁带宽度为1.195e V。态密度的结果表明费米面附近的电子是由O-2p轨道、Bi-6s轨道和Fe-3d轨道贡献的。同时Born有效电荷计算结果表明BiFeO3晶胞中共价键成分占比较大;用Born有效电荷和离子极化位移,可以近似估算得到菱方相BiFeO3的本征极化约为96.76μC/cm2。