铁酸铋基粉体的化学法制备、表征及性能研究

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多铁性材料在某一温度范围内同时具有铁电和铁磁性能,在新一代信息存储器、传感器和自旋电子器件等领域有着重要的应用前景。铁酸铋(BiFeO3)是单相多铁性代表材料之一,因其具有很高的铁电居里温度(Tc=830oC)和反铁磁尼尔温度(Tn=370oC)而备受关注。然而,在BiFeO3制备过程中通常会生成Bi2Fe4O9和Bi25FeO40等杂质,导致其漏电流增大。制备单相BiFeO3材料并提高其铁电铁磁性能已成为国际上大研究热点之一。本论文分别采用溶剂热法、溶胶凝胶法—水热法、水热法和软化学法等化学法制备了BiFeO3及Bi1-xNdxFeO3(BNFO)、Bi1-xLaxFeO3(BLFO)纳米粉体,并用扫描电镜(SEM)、扫描电镜能谱(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、差热分析仪(DTA)磁性能测试仪等分析测试手段对纳米材料的尺寸、结构、形貌及其电性能、磁性能进行了表征。主要内容如下:(1)首次采用乙醇-水混合溶剂作为水热溶剂,在120℃低温下成功地水热合成了纯BiFeO3纳米粉体。在合成过程中,溶剂的成分和比例是对铁酸铋的生成具有重要的影响。只有当乙醇-水比例在4:3和2:5之间时,才能在低至120℃下合成单相BiFeO3粉体。该温度是目前合成铁酸铋的最低温度。用4:3乙醇-水混合溶剂合成的BiFeO3纳米粉体主要是由尺寸在50nm~150nm的颗粒组成的立方结构。ZFC和FC磁性能测试表明,BiFeO3纳米粉体在冻结温度5K下,具有玻璃态转化的现象。BiFeO3纳米粉体在室温下展现出铁磁有序,者可用尺寸效应来解释,同时在BiFeO3样品中也得到了电滞回线。室温下的铁磁有序和铁电有序,证明了纯BiFeO3晶体具有多铁性能。(2)采用新颖的溶胶-凝胶-水热法合成了多铁性Bi1-xNdxFeO3(BNFO, x=0-0.35)粉体。结果发现,在x≤0.25时能合成单相的Bi1-xNdxFeO3晶体,而合适浓度的KOH和NaOH分别有利于合成纯的Bi1-xNdxFeO3和Bi2Fe4O9晶体。扫描电镜结果表明BNFO晶体呈球形,其尺寸对KOH的浓度很敏感。BNFO晶体的铁电居里温度随着Nd掺杂的增加而向低温移动。磁性能测试结果表明,随着Nd掺杂量的增加,样品的磁性能得到增强。此外,我们还讨论了Bi1-xNdxFeO3晶体的形成机制。(3)用水热法合成了镧掺杂的铁酸铋晶体(Bi1-xLaxFeO3,x=0,0.15,0.3和0.4)。在合成过程中,前驱体的成分、氢氧化钾的浓度、水热合成的温度和时间,都对Bi1-xLaxFeO3的结晶和颗粒形貌发挥着重要的作用。当x<0.3时,可以合成纯的Bi1-xLaxFeO3晶体,而且随着La的掺入量的增加,铁电转变温度从834.2℃降低至828.7℃。讨论了Bi1-xLaxFeO3晶体的生长机理。而且,实验结果表明,La的掺入大大的提高了剩余极化。(4)使用酒石酸作为络合剂,采用软化学法合成了Bi1xNdxFeO3粉体。通过XRD、DTA、FT-IR和TEM等方法表征合成的粉体。结果表明,采用500℃就能合成结晶良好的单相Bi1xNdxFeO3粉体,其尺寸在30~50nm之间。磁性能测试表明,随着Nd的掺入,BNFO的磁性能得到提高。当Nd掺杂量达到0.2时,Bi1xNdxFeO3纳米粉体的磁性能达到最大,此时矫顽场达Hc=15368Oe,剩余磁化强度Ms=0.1944emu/g,M-H回线面积达到最大。
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