BiFeO3-BaTiO3基单相及BaFe12O19/Pb(Zr,Ti)O3复合材料磁电耦合性能的研究

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多铁性材料的磁电耦合效应可以实现电序参量和磁序参量的相互耦合,在传感器、能量采集器以及低能耗存储器等多功能电子器件中应用广泛。其中,BiFeO3-BaTiO3固溶体是典型的单相多铁性材料,可以在室温下同时具有铁电性和磁性。但是它的磁电耦合响应仍然比较微弱,这大大限制了其在电子器件中的实际应用,如何提高BiFeO3-BaTiO3固溶体的磁电耦合响应也吸引了很多研究者的关注。我们课题组之前的工作曾提出,除了铁磁性和压电性,机械品质因数也是影响BiFeO3基陶瓷磁电耦合响应的一个重要参数。与此同时,我们也曾多次在BiFeO3-BaTiO3固溶体中发现BaFe12O19组分的出现,而BaFe12O19是一种强磁性铁氧体材料,可作为组成复合材料中的铁磁相。基于以上考虑,本论文从“硬”性掺杂提高机械品质因数出发,系统地研究了 Mn掺杂含量、烧结温度和BaTiO3含量对BiFeO3-BaTiO3固溶体陶瓷的微观结构、机械品质因数以及多铁性的影响,以期待进一步提高BiFeO3基陶瓷的磁电耦合响应;另外,我们还探究了以BaFe12O19作为铁磁相,Pb(Zr,Ti)O3作为压电相的BaFe12O19/Pb(Zr,Ti)O3层状复合材料的磁电耦合性能。结果发现Mn掺杂可以使固溶体整体性能变“硬”,机械品质因数大大提高,且一定含量的Mn掺杂还有利于铁磁性的增强,从而磁电耦合性能也得到提高。通过调节Mn掺杂含量、烧结温度和BaTiO3的含量,最终获得~2V/(cm·Oe)的磁电耦合系数。该高的磁电耦合响应是由于大机械品质因数、高压电系数和增强的铁磁性的共同作用所导致的。我们还发现BaFe12O19/Pb(Zr,Ti)O3层状复合材料磁电耦合系数随磁场的变化呈蝴蝶曲线状,其磁电耦合系数最大值和最小值具有良好的时间稳定性,因而在存储器件上具有较大的应用潜力,且BaFe12O19/Pb(Zr,Ti)O3层状复合材料未极化和极化后,BaFe12O19的磁滞回线并不重合,这表明在该复合材料中还存在电场对磁化状态的调控。本文的工作进一步验证了机械品质因数对BiFeO3基陶瓷磁电耦合响应的重要性,也为探索复合材料在低能耗存储、传感探测等器件中的应用提供一些借鉴和思路。
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