多重掺杂铁酸铋陶瓷的制备及多铁性研究

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电子陶瓷的材料的迅猛发展,使其在科技高速发展的道路上有了越来越广泛的应用。电子陶瓷材料涵盖了很多材料,其中包括多铁性材料。多铁性材料定义为包含了铁电性,铁磁性或者铁弹性其中两种或者两种以上的性质。其中,BiFeO3是众多多铁性材料中的典型代表,其优势为在室温下唯一的单相多铁性材料。BiFeO3居里温度TC=1103 K和反铁磁性的奈尔温度TN=643 K。本论文主要通过对BiFeO3陶瓷进行多重掺杂,来提高BiFeO3的铁电、铁磁性能。降低BiFeO3的漏导电流,减少氧空位,提高陶瓷的致密度。通过XRD、SEM、VSM、铁电性能测试和磁介电效应测试等手段,来研究BiFeO3的多铁性能。主要结论如下:(1)通过采用未预烧处理和预烧处理的两种不同烧结方式的对比,在未预烧处理下获得了纯相BiFeO3陶瓷,同时,采用冷静压压制陶瓷片的方法获得了致密度较高的陶瓷。(2)在Bi1-xLaxFeO3(x=0,0.03,0.05,0.07,0.09)陶瓷体系中,我们发现La3+掺杂BiFeO3陶瓷有抑制杂相产生的作用,La离子的掺杂会稳定BiFeO3陶瓷的晶相,减少BiFeO3陶瓷中的第二相,晶胞参数发生了变化。x=0.05时,其介电损耗和漏导电流有所降低,磁性能提高。但是,仍然无法抑制BiFeO3陶瓷自旋结构的转变。(3)在Bi0.95La0.05Fe1-xTixO3(x=0,0.025,0.05,0.075,0.10)陶瓷体系中,陶瓷样品均为纯相,没有第二相的出现,表明Ti4+的掺杂不会对陶瓷样品带来杂相。Bi0.95La0.05Fe1-xTixO3陶瓷样品均为比较致密,孔隙率较低,其平均晶粒尺寸大小约为24μm,并且晶粒形状趋于一致,这表明Ti4+掺杂有助于晶粒的生长。x=0.10时,陶瓷样品的介电常数最大为170,表现出了比较良好的频率的稳定性。其剩余磁化强度(Mr)提高至0.12554 emu/g,饱和磁化强度(Ms)提高至0.25478 emu/g,确定Ti4+的掺杂量为0.05 mol,此时陶瓷样品无杂相,漏电电流得到降低,磁性能提高。样品均在1.8 T磁场下表现出最大的磁介电效应,x=0.10时,其αMD为6.34。分析其主要原因为Ti4+的掺杂抑制了Fe3+向Fe2+的转变,使得Fe3+增多,磁性增强磁介电效应更加显著。(4)在Bi0.95-xLa0.05YxFe0.95Ti0.05O3(x=0,0.04,0.06,0.08,0.10)陶瓷体系中,Bi0.95-xLa0.05YxFe0.95Ti0.05O3陶瓷样品的介电常数,最大介电常数增加到200。介电常数的增加主要是由于Y3+的掺杂降低了Bi3+的挥发,减小了内部缺陷,使得介电常数的增加。并且Bi0.95-xLa0.05YxFe0.95Ti0.05O3陶瓷样品介电常数具有良好的频率稳定性。当x=0.06时,Bi0.95-xLa0.05YxFe0.95Ti0.05O3陶瓷样品获得较高的极化强度,并且漏导电流较小。当x=0.08,其漏导电流为10-4 A/cm2。所有样品均在1.8 T磁场下表现出最大的磁介电效应,并且随着x含量的增加,Bi0.95-xLa0.05YxFe0.95Ti0.05O3陶瓷样品的磁介电系数逐渐增。当x=0.08时,在1.8 T磁场下其αMD最大为15.64。随着x的增加,其磁介电系数αMD越来越大。分析其原因是Y3+掺杂抑制BiFeO3陶瓷自旋结构的转变,显著提高了陶瓷样品的铁磁性能,从而提高了磁介电效应。
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