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多铁性材料是一类同时具有铁电性、铁磁性的多功能材料,具有丰富的物理内涵以及广阔的应用前景。而钙钛矿结构的铁酸铋BiFeO3是少数在室温下同时具有反铁磁性和铁电性的单相多铁材料之一,由于其室温下呈反铁磁有序和铁电有序而引起人们的极大关注。然而,单相BiFeO3仍存在一定的问题,如磁性较弱、漏电过高等,阻碍了BiFeO3的发展。
氧空位对于多铁性材料BiFeO3的性质有着至关重要的影响,例如氧空位缺陷会造成BiFeO3漏电增大、氧空位也可影响BiFeO3的磁性及介电性能等。这就是说,氧空位可以用来调制BiFeO3的性能。然而,目前对于氧空位如何作用于BiFeO3中仍缺乏清晰的认识。本文采用Mg掺杂的方法来在BiFeO3陶瓷样品中引入不同浓度的氧空位,研究氧空位对BiFeO3介电和磁性的影响。
本研究采用高能球磨法制备出高质量的BiFeO3样品及Mg掺杂含量分别为0.2%、0.5%、1%、2%、5%、10%的样品,首先通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对其结构及形貌进行表征。接着用拉曼衍射光谱(Ramanspectrum)对氧空位的存在进行探讨,通过480cm-1位置的峰位移动验证了氧空位被引入BiFeO3。最后对样品的介电及磁性进行测量,发现随着氧空位被引入,BiFeO3的介电常数及饱和磁化强度均出现很大的提升。经分析,介电和磁性的提高均与氧空位有关。介电的提高是由于氧空位束缚了周围电子形成导电纳米微区,这些导电纳米微区被周围绝缘的BiFeO3包围,从而形成内部阻挡层电容效应(IBLC),导致介电常数提升;磁性的提高是由于非磁性Mg离子替换了磁性的Fe离子,形成了非平衡磁矩,产生净磁矩;加上氧空位束缚周围局域化的电子与磁性离子进行耦合,形成类似局域磁极子(BMP)模型,从而显示了宏观磁性。