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多铁性材料是指同时具有铁电、铁磁和铁弹性中的两种或两种以上铁性的材料,这种材料在一定的温度下同时具有自发电极化和自发磁矩,正是它们的同时存在可能引起的磁电耦合效应,使多铁体具有某些特殊的物理性质,引发了若干新的、有意义的物理现象,如:在磁场的作用下极化重新取向;在电场作用下磁化重新取向,使得多铁性材料在存储器、传感器等电子器件中存在重大的潜在应用价值然而,目前在室温条件下同时具有铁电性和铁磁性的材料并不多见,因此探索室温多铁性材料具有深刻的意义。最近,有人在具有层状Aurivillius相结构[通式:(Bi2O2)2+(An-1BnO3n+1)2-,A=Na,Ca,Bi等,B=Fe,Ti,V等,n代表钙钛矿的层数]的化合物Bi5Fe0.5Co0.5Ti3O15中发现了室温铁电和铁磁性的共存,这一发现重新唤起了科研工作者对这一体系室温多铁性的研究兴趣。 本论文主要选取n=5的Aurivillius结构化合物Bi6Fe2Ti3O18为研究对象,通过传统固相反应法以及化学溶液沉积法分别制备块体和薄膜样品,并通过元素的替代以及引入强磁场条件等手段,对材料体系的磁性、电性质以及磁电耦合效应进行了系统研究,主要研究内容和结果如下: 1、研究了磁性离子Mn掺杂Bi6Fe2Ti3O18的磁行为。利用传统固相反应法制备了Bi6Fe2-xMnxTi3O18(0≤x≤0.8)多晶陶瓷样品。X射线衍射和扫描电子显微镜测量结果显示所有的样品都具有层状钙钛矿的Aurivillius结构,而且Mn离子的替代能明显地促进颗粒的生长。磁性测量结果表明所有样品都表现出主要的顺磁行为和短程的反铁磁行为以及局域的铁磁行为,而且随着掺杂量的增加,顺磁交换作用逐渐增强。 2、研究了稀土离子替代Bi6Fe1.4Co0.6Ti3O18的磁电耦合效应。为了进一步提高n=5的Aurivillius相Bi6Fe1.4Co0.6Ti3O18化合物的磁电耦合效应,在Bi位掺杂少量的稀土离子制备了Bi5RFe1.4Co0.6Ti3O18(R=La,Nd,Gd)多晶陶瓷,较系统研究了稀土离子掺杂对材料的磁性质、电性质和磁电耦合效应的影响。磁性测量结果表明稀土掺杂能有效地提高材料的磁性能。稀土离子掺杂能减少体系的氧空位从而提高材料的铁电性能。磁介电表征结果显示Gd掺杂的样品在外加磁场为1T时具有最大的磁介电常数9.4%,表明在Aurivillius相体系中通过稀土离子的掺杂有可能实现更大的磁电耦合效应,这对于探索磁电存储器件具有指导意义。 3、研究了磁性离子Co3+和施主离子W6+共掺杂对材料的磁性质以及电学性质的影响。为了保持Aurivillius相具有良好室温铁磁性的同时能进一步提高体系的铁电性能,我们利用固相反应法制备了Bi6-x/3Fe2Ti3-2x(WCo)xO18(0≤x≤0.15)多晶陶瓷。实验结果表明,掺杂样品表现出明显的室温铁磁性能。此外,施主离子W6+的引入能有效降低材料体系中的氧空位含量,有利于提高该体系的铁电性能。 4、在强磁场下制备了Bi6Fe1.4Co0.6Ti3O18薄膜,研究了磁场对薄膜微结构和室温多铁性的影响。实验结果表明强磁场退火处理不仅可以降低薄膜生长的形核能和有效提高薄膜的致密性,而且还能促进薄膜的择优取向生长,从而使得薄膜样品的磁性和铁电性能有了明显的提高。这一研究结果表明强磁场退火对改善Aurivillius相材料的多铁性能是一种非常有效的手段。