A位离子对Bi5Fe0.5Co0.5Ti3O15陶瓷的多铁性影响

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本文主要研究了A位离子掺杂对Bi5Fe0.5Co0.5Ti3O15(BFCT)陶瓷的多铁性影响。并通过对材料的微观结构,铁电性能,磁性能和介电性能等方面的测量,分析了用掺杂的手段改善样品性能的相关机制。  首先研究了Bi含量对BFCT材料性能的影响。用固相烧结法制备样品,在样品制备过程中Bi2O3按照化学摩尔比分别取-1%、0、2.5%、5%。X射线衍射图谱的结果表明样品已经形成了四层的Aurivillius相结构。对样品的铁电性能和磁性能进行测试,发现当Bi2O3欠量1%和不过量时,样品的磁性能比较弱,铁电性能较差。由于本身Bi含量的欠缺再加上高温烧结过程中Bi的挥发,使得样品中存在大量的Bi空位,随之产生的大量氧空位再加上其他缺陷的存在,样品的性能被严重破坏。当Bi2O3适当过量时,样品的性能得到了一定的改善,剩余磁化强度和剩余极化强度都得到了提高(虽然样品中还存在一定的漏电流)。本文的实验结果中Bi2O3过量5%时比较合适。  在选取适当Bi2O3过量的基础上,用Nd离子对BFCT材料进行A位掺杂。采用传统固相烧结法制备了Bi4.15Nd0.85Fe0.5Co0.5Ti3O15陶瓷材料。X射线衍射分析表明,样品表现为单一晶格Aurivillius相;拉曼光谱散射分析了Nd离子分布和A、B位氧八面体的声子模的振动情况。对其铁电性能进行测量发现,材料的剩余极化强度(2Pr)约为16μC/cm2,是未掺杂样品剩余极化强度大小的2倍。Nd掺杂使样品产生了更大的晶格畸变,抑制了氧空位的生成,有助于提高铁电性能。样品的剩余磁化强度(2Mr)同样得到提高,约为0.66 emu/g。X射线光电子能谱结果表明,掺杂后样品Co3+和Fe3+含量增加,这种变化通过Dzyaloshinskii-Moriya相互作用增加了铁基和钴基的自旋倾斜。  最后研究了A位引入不同离子半径镧系元素对BFCT材料性能的影响。采用固相烧结法制备Bi4.15A0.85Fe0.5Co0.5Ti3O15(BAFCT)(A=Gd,Dy,Sm,Nd),X射线衍射图谱的结果显示四种样品都形成了Aurivillius相。参与掺杂的四种离子具有不同的离子半径,掺杂后样品产生了不同程度的晶格畸变,这种畸变有助于自发极化的产生,样品的铁电性得到了不同程度的提高,剩余极化强度大小分别为5.62μC/cm2,4.61μC/cm2,11.16μC/cm2和15.7μC/cm2。A位离子掺杂还有助于对氧空位的抑制,由于取代产生的晶格畸变对离子键自旋倾斜的角度影响和耦合间距大小的影响属于促进Fe3+-O-Co3+耦合的因素,样品的磁性能得到了不同程度的提高。样品的剩余磁化强度大小分别为0.78 emu/g,0.41 emu/g,0.56emu/g和0.66 emu/g。测试样品的磁性随温度的变化,发现样品的相变温度分别为173℃,82℃,114℃和106℃。
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