元素掺杂对BiFeO3陶瓷铁电和铁磁性能的影响研究

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随着信息技术的不断迅猛发展,人们急需多功能化的信息储存器。其中BiFeO3(ABO3)是典型的多铁材料,因其在室温时可同时具有铁电、铁磁等特性而备受关注。但是,BiFeO3的成相温区很窄,在制备过程中很容易形成杂相,严重限制了材料的性能。而元素掺杂的方式可以很好地解决这一难题。本文采用改良的固相反应法分别制备了A位(La元素)替代和B位(Ru、Mg元素)替代的陶瓷样品并对其多铁行为进行了系统的研究。本工作中,我们首先制备了退火温度范围为840℃~900℃的Bi0.9La0.1FeO3陶瓷样品。通过对X射线衍射数据进行分析,我们发现样品为菱形钙钛矿结构,空间群是R3c;另外,与其他退火温度下样品的多铁特性相比较,880℃退火样品的漏电流数值最小,并且测得了最大饱和极化强度值。所以,选取880℃作为掺杂10%La的BiFeO3样品的最佳退火温度。此外,我们在逐渐增大施加电压以观测样品的漏电流特性时,发现880℃退火的样品表现出翻转二极管的行为。经分析,此现象是由于样品内部氧空位分布不均匀,从而形成的p-n结结构引起的。接着,我们观测到了880℃退火样品呈现出“蝶形”的应力—电压曲线,其相应的最大压应力数值为0.09%。最后,我们测定了不同退火温度下的样品在室温时的磁滞回线。实验结果表明,La元素掺杂可以很好的抑制BiFeO3本身所固有的螺旋调制结构,从而释放出净磁矩。在此基础上,我们选择以La0.1Bi0.9FeO3为基体,制备了掺杂1%~3%B位(Ru、Mg)元素的块体陶瓷样品,研究了B位元素掺杂对材料性能的影响。我们发现,随着Ru元素掺杂量的增加,样品的结构开始由菱形向伪立方结构转变,其中,1%Ru掺杂的样品处于变晶相界,并且该样品的介电特性在所研究的整个频率范围内保持稳定。另外,根据所测得的XPS结果,发现1%Ru掺杂的样品中的氧空位数目是最少的。样品铁磁性能的提高则是掺Ru使样品中Fe3+增大,这有利于样品净磁矩的增大。另外,掺杂Ru元素会形成局部的亚铁磁结构,从而使样品的铁磁性进一步提高。当在B位掺杂Mg元素时,我们发现,Mg掺杂会提高样品的介电性。经分析,Mg掺杂样品的多铁特性与样品的结构和氧空位有关。通过对B位两种元素掺杂的结果分析,我们认为B位元素掺杂对材料多铁性能的影响主要是样品的结构和样品中氧空位共同作用的结果。
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