SrBi2Nb2O9基陶瓷材料的制备及多铁性能研究

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随着科学技术的发展,社会生产对电子器件的要求愈发严格和苛刻,对于具有多重功能材料的需求越来越大,而多铁性材料同时具有铁电性、铁磁性和铁弹性中两种及两种以上的性能,使多铁性材料有了更多的应用。Aurivillius化合物由于高电阻的(Bi2O22+层会将材料中类钙钛矿层分隔开来降低材料中的漏导。此外,氧八面体中心位置被磁性离子所占据时,材料整体会表现出磁性。本论文选取了m=2的SrBi2Nb2O9作为基体材料,先后通过磁性离子掺杂,降低材料漏电流以及织构化陶瓷材料的制备等方法进行了改性,并对陶瓷材料的晶体结构,微观形貌,介电性能和多铁性能进行了系统的研究。利用传统固相法分别制备了SrBi2Nb2-xFexO9(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4和1.0)和SrBi2Nb1.8-xFe0.2CoxO9(x=0,0.1,0.2,0.3和0.4)陶瓷。随着Fe离子的掺杂,样品呈现了层状钙钛矿的结构,陶瓷材料呈现了典型的片状晶粒。居里温度随着掺杂量增加而升高,介电常数下降。材料的居里峰附近出现了明显的弛豫特性,当Fe离子占据八面体位置之后,材料的Pr和Ec都出现了下降,当x=0.3时得到了最小值,随后材料的Pr和Ec又出现了上升,这是因为Fe离子的受主掺杂引起材料中漏电流所致,材料的磁性能出现了从抗磁性到反铁磁性的转变;随后继续选用Co离子掺杂,发现材料中没有第二相的出现,由于Co离子的引入破坏了晶粒生长过程中的各向异性,材料的片状晶粒逐渐向块状晶粒变化。Co离子的引入使氧空位浓度进一步增高,从而增大了材料的界面极化和介电损耗,通过电阻率的激活能的拟合,得到材料的激活能分别为0.47 eV、0.37 eV、0.33 eV、0.31 eV和0.30 eV,并且材料的电滞回线变宽,漏电流增加,材料由于不同离子之间的双交换相互作用,使材料出现了弱的铁磁性。通过传统固相法分别制备了SrBi2-xLaxNb1.6Fe0.2Co0.2O9(x=0,0.15,0.30,0.45,0.60)陶瓷以及SrBi2Nb1.8Fe0.1Co0.1O9和SrBi2Nb1.8(Fe0.1Co0.1)5/3O9陶瓷材料。随着La离子的掺杂量上升,结构从斜方向四方发生了转变,陶瓷呈现了典型的片状晶粒。当掺杂量x=0.3时,材料获得最大的介电常数107.1,介电损耗都在0.05以下,并且材料的铁电性能和磁性能达到最理想的状态,这是因为La离子会取代易挥发的Bi离子,从而减少材料中的氧空位,此外La离子还会增强Fe-O-Co之间相互作用,从而提高了材料的多铁性能;通过非化学计量比的掺杂之后,材料没有第二相生成,陶瓷的晶粒都呈现了典型的片状形貌。在100 kHz频率下,SBCFN1和SBCFN2的介电常数分别为183.4和201.3,介电损耗都在0.02左右,陶瓷材料的居里温度在467 oC左右,材料具有更高的电阻率和击穿场强,并且磁性能也得到了进一步的增强。先通过熔盐法合成了具有高宽深比的SrBi2Nb1.8Fe0.1Co0.1O9粉体颗粒,薄片状的颗粒宽度在10μm左右,厚度在100 nm以下,之后通过冷等静压成型并在箱式炉中烧结制备了织构化的SrBi2Nb1.8Fe0.1Co0.1O9陶瓷,从XRD图谱中证明了材料在(00l)方向上生长,并且在平行于c轴的方向上,材料的片状的晶粒逐层的堆叠,在垂直于c轴的方向上,可以看到材料所有晶粒的侧面都是按照一定方向排列而成。垂直于c轴的方向上,材料的介电常数为167;在平行于c轴的方向上,介电损耗低于0.02,高的电阻值和高的击穿场强,除此之外,由于平行于c轴的电子轨道受到层与层之间的干扰而减弱,使材料在平行与c轴的方向上获得了更高的磁化强度。
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