掺杂BiFeO3-BaTiO3固溶体多铁性研究

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多铁性材料因为在传感器、信息储存及新型功能转换器件拥有巨大的潜在应用前景,因此一直是一个热门的研究方向。BiFeO3作为唯一的室温下同时具有铁电性和反铁磁性的单相多铁性材料,具有高于室温的尼尔温度TN370℃及铁电相变温度(Tc850℃),在众多多铁性材料中脱颖而出,表现出了走向实际器件应用的极大可能。但是一些固有的问题限制其应用发展。如纯相较难合成、高温下Bi3+离子易挥发导致的漏电流过大,从而抑制了铁电性能;本身固有的特殊磁性结构导致的宏观磁性较弱;观测到的磁电耦合效应较弱等问题。本文基于Samita Pattanayak等人针对Sm元素掺杂BiFeO3可以有效的提高体系的铁磁性能研究结果出发,研究了Sm元素掺杂的BiFeO3-BaTiO3固溶体,首先BiFeO3与BaTiO3形成固溶体可以有效地抑制杂相,并且弥补Bi3+离子挥发带来的氧空位。其次BiFeO3与BaTiO3在特定比例下形成的固溶体会存在一个准同型相界,在该相界范围内可以获得较好的多铁性能、压电性能。因此Sm掺杂的BiFeO3-BaTiO3体系极有可能获得较明显的磁电耦合效应,对BiFeO3走向实际应用具有重要的促进作用。本文主要的研究工作如下:(1)采用传统固相法制备了0.71Bi1-xSmxFeO3-0.29BaTiO3(x=0-0.06)(简称:0.71BFO-0.29BT)多铁性陶瓷材料,系统性的研究了随着Sm离子掺杂量的变化,0.71BFO-0.29BT体系的微观形貌、相结构、多铁性能、漏电流及磁电耦合性能。并结合同步辐射X射线吸收谱,研究了Sm掺杂对体系局域电子结构的影响,分析了电子结构与掺杂后体系多铁性能变化之间的内在联系。Sm元素A位掺杂部分替代Bi3+离子后,可以促使体系的相结构发生了转变,当x=0.03,0.04时体系处于两相共存的状态,存在准同型相界结构。在准同型相界附近我们获得了最大的剩余极化强度Pr=3.83μC/cm2(x=0.04)和最大的饱和磁化强度3.43emu/g(x=0.03),并在x=0.03的样品中观测到较为明显磁介电效应,磁电容高达1.3%。在电绝缘性方面,与BiFeO3相比BaTiO3-BiFeO3固溶体的电绝缘性得到极大的提高,但Sm元素的掺杂却降低了该固溶体的电绝缘性,体系漏电流J变化范围为1.77×10-7-1.16×10-5(A/cm2)。并发现伴随准同型相界的出现,Bi 6sp与O 2p轨道间的杂化程度降低,从而提高了体系的铁电性能,这两者存在某种特定的联系。而在随着体系结构的变化,Fe 2p轨道与3d轨道间的耦合并没有发生明显的变化。(2)用传统的固相反应法成功制备了x Bi(Mg2/3Nb1/3)O3改性的(0.71-x)BiFeO3-0.29BaTiO3样品(x=0.0,0.01,0.02,0.03,0.06),侧重研究了复合型钙钛矿结构氧化物对BiFeO3-BaTiO3体系铁磁性能方面的影响,分析了掺杂后体系的物相结构、表面形貌、铁电性能及电绝缘性方面的变化。研究发现随着Bi(Mg2/3Nb1/3)O3掺杂量的增加,体系保持单一的相结构并无存在两相共存的状态。掺杂后体系平均晶粒尺寸逐渐变大,可均匀性变差,气孔率增加了。铁电测试表明Bi(Mg2/3Nb1/3)O3掺杂可以有效提高体系的铁电性能,但降低了样品的电绝缘性,体系漏电流J变化范围为4.5×10-7-1.68×10-6(A/cm2)。在磁性方面,当x=0.03时我们获得了饱和磁化强度MS高达1.39emu/g的样品,这个结果在众多相关研究中实属少见,说明复合型钙钛矿型氧化物Bi(Mg2/3Nb1/3)O3对BiFeO3-BaTiO3体系的掺杂可以极大地提高体系的铁磁性能。
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