玻璃添加对BiFeO3陶瓷多铁性的影响

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多铁性材料作为多功能材料的一种,它所表现出的铁电、铁磁等优良特性使其在信息存储、自旋电子及传感器等领域得到极大的关注。具有扭曲钙钛矿型(AB03)结构的BiFeO3材料由于在室温下铁电和铁磁之间产生的耦合效应使其成为最具前景性的多铁性材料,近年来倍受诸多研究者们的青睐。目前,采用稀土离子/过渡金属对BiFeO3陶瓷进行掺杂改性研究是主要手段,但其成本较高。玻璃作为一种添加剂,制备简单且易于获得,不仅可作为一种烧结助剂且可优化陶瓷性能。本论文采用固相法合成BiFeO3粉体,探究不同煅烧温度对BiFeO3粉体纯度的影响,确定最佳合成参数。此外,采用传统固相法分别制备不同含量的(Ba0.5Sr0.5)Nb206-G(简称BSN-G)、 SrO-Fe2O3-SiO2-B2O3微晶玻璃(简称SFSB)和Bi2O3-B2O3-ZnO(简称BBZ)添加的BiFeO3陶瓷,并对陶瓷的烧结特性、微观形貌、晶体结构、漏导电流、铁电及磁性能进行了系统的研究。(1)采用固相法制备BiFeO3-x[BSN-G] (x=0.0~5.0 wt%)陶瓷样品,研究添加不同含量的BSN-G对BiFeO3陶瓷微观形貌,电性能及磁性能的影响。结果表明:BSN-G的加入使得陶瓷样品的烧结温度降低、气孔率降低、致密度提高。这主要源于BSN-G中部分玻璃相的存在使得陶瓷样品在烧结过程中形成的液相更能充分浸润固体颗粒,液相参与烧结过程,大大促进了传质的进行,进而使得陶瓷样品致密度提高。样品的介电常数和介电损耗均随着BSN-G的加入呈降低趋势,当x=5.0%时,样品在频率为1 kHz时的介电常数为72,介电损耗为0.003。此外,添加BSN-G使得BiFeO3陶瓷的漏导电流降低,x=5.0%的样品获得较饱和的电滞回线,其饱和极化强度Ps为1.5 μC/cm2,漏导电流密度J为0.39μA/cm2。此外,随着x增加,样品的磁性能得到略微改善。(2)首先采用高温熔融法制备SrO-Fe2O3-SiO2-B2O3系统基础玻璃,随后采用整体析晶法制备出主晶相为Sr2FeSi207的磁性微晶玻璃,磁性能测试显示该样品具有典型的铁磁特性其饱和磁化强度Ms=10.527 emu/g以及矫顽力Hc=210.462 Oe。其次,对BiFeO3-xSFSB (x=1.0~9.0wt%)体系陶瓷进行研究。结果表明:当x=5.0%时,样品的相对密度达最大值,这表明过多的玻璃相使得陶瓷在烧结过程中体系的黏度增大,反而不利于气孔排除,最终使得致密度下降。此外,随着x增加,样品的介电常数降低而介电损耗先降低后增大,x=5.0%时样品在频率为1 kHz下的介电常数为85,介电损耗降至0.02以下。当x=1.0%时,样品M-H呈线性关系,表现为典型的反铁磁性材料;随着x增加,陶瓷样品的饱和磁化强度(Ms)和矫顽场(Ho)均明显增大,当x=9.0%时,陶瓷样品的Ms=0.230 emu/g和Hc=3122Oe。表明SFSB的加入使得BiFeO3陶瓷磁性能得到明显改善。(3) BiFeO3-xBBZ (x=0.0~5.0wt%)陶瓷的研究结果表明:BBZ的加入使得BiFeO3陶瓷的烧结温度显著降低、致密度提高、晶粒细化。由Raman分析可知,BBZ的加入使得BiFeO3陶瓷中的Bi-O键及Fe-O键都得到了不同程度的增强,进而使得铁电性和铁磁性得到一定的改善,这主要源于BBZ中部分Bi3+补充BiFeO3陶瓷中Bi3+的挥发。当频率为100 Hz时,x=5.0%样品的介电常数达到168,介电损耗为0.05。此外,当测试频率为100Hz~1 MHz时,介电常数和介电损耗随温度的变化呈现弥散现象,表现为Maxwell-Wagner型弛豫。与x=0.0%的样品相比,x=5.0%样品其漏导电流降低了约3个数量级。另外,随着x增加,样品的饱和磁化强度(Ms)及矫顽场(Hc)均增大,x=5.0%时陶瓷样品的Ms=0.170 emu/g和Hc=2796 Oe。这是由于BBZ的加入使得Fe06八面体的位置发生变化,从而使得BiFeO3陶瓷的菱形钙钛矿结构发生扭曲,Fe-O-Fe之间的键角变小,有利于磁性能的增强。
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