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多铁性材料是一种因为结构参数有序而导致铁电性(反铁电性)、铁磁性(反铁磁性)、铁弹性同时存在的多功能材料。它大大丰富了固体物理学和功能材料的内涵,特殊的物理性质使其可望广泛应用于换能器、传感器、移相器、驱动器、信息存储器等,因而成为当前的研究热点之一。
钨铁酸铅Pb(Fe2/3W1/3)O3(PFW)作为最早被制备出来的多铁性材料,它的制备和性能已被广泛研究。找到一种制备高纯度钙钛矿相PFW的方法和一种改善其性能的方案是提高PFW在多铁性材料中应用前景的重要课题。
本论文设计了一种以金属盐作为前躯体的溶胶-凝胶法合成方案,成功合成了高纯度的PFW,避免了传统溶胶-凝胶法中金属醇盐前躯体易挥发、价格昂贵且有毒的弊端,并讨论了烧结温度、溶胶pH值和分散剂对最终烧结产物的影响。获得PFW的最佳烧结温度在725℃,比其他制备方法的烧结温度低很多,晶粒大小约为250nm左右,溶胶pH值对它的影响并不大,分散剂的加入在一定程度上使制备得到的PFW的晶粒更小。
为了提高PFW的居里温度、尼尔温度和磁性,本文选择了高居里温度、高尼尔温度的铁酸铋BiFeO3(BFO)与之固溶,得到相应的(1-x)PFW-xBFO固溶体,其晶粒尺寸远远小于原始PFW的晶粒尺寸,不到100nm。当x≤0.6时,该固溶体保持了钙钛矿相结构,而当x＞0.6时,烧结产物则为多相。BFO的加入在一定程度上增加了PFW的饱和磁化强度,其中x=0.25时的0.75PFW-0.25BFO固溶体相对于其他成分点下的钙钛矿结构固溶体的磁性能有着数量级上的优势,这可能与其B位化学键特殊的振动模式有关。
为了得到长程有序结构的PFW以期改善其磁性能,本文选择在PFW中进行元素掺杂,并成功在镁离子Mg2+的掺杂下得到了PFW的长程有序结构。对于(1-x)Pb(Fe2/3W1/3)O3-xPb(Mg1/2W1/2)O3固溶体来说,无论x值在0-1的范围内如何变化,它都保持钙钛矿结构,且晶粒尺寸随着钨镁酸铅Pb(Mg1/2W1/2)O3(PMW)的加入呈现先减小后增大的趋势。固溶体虽然具有长程有序结构,但是由于Mg2+破坏了PFW中弱铁磁性来源的化学键,该固溶体的磁性并未得到很大的增强,且磁性能随着PMW的加入而逐渐减弱。