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多铁材料能同时表现出铁磁性和铁电性,由于其有趣的物理机制,以及在器件上的应用潜力是一项历史悠久的研究课题。其中铁酸铋(BiFeO3,简称BFO)陶瓷引起人们极大的关注,这是因为其在常温下同时表现出铁电有序和反铁磁有序。然而,BiFeO3陶瓷材料的应用目前仍然受限于其内在的问题,例如很难制备纯的BFO、磁性较弱和漏电流过高。本工作探索了Ti掺杂引入的铁空位对其磁性和电性能的影响,并深入研究其物理机制。 本研究选取高能球磨法制备了非化学计量比的BiFe1-4x/3TixO3(x=0~0.20)陶瓷样品(其中Ti掺杂可带来B位置离子的缺失而产生铁空位),并研究了铁空位对其晶体结构、显微结构、磁性能和电性能的影响。主要研究结果如下: 1.用XRD、拉曼光谱和电子扫描显微镜的方法对BiFe1-4x/3TixO3的结构进行表征。XRD图谱、拉曼光谱和SEM的分析表明钛离子确实取代铁离子进入晶格之中,导致晶格常数,结构以及晶粒尺寸明显的变化。 2.掺钛带来样品的漏电显著减低,带来介电损耗显著减少和铁电性能的改变。变温度介电频谱拟合掺钛样品(x=0.10)的激活能为0.211eV,接近于电子在Fe3+和Fe2+之间的跳跃,而掺杂可有效抑制这种跃迁。 3.实验发现随着钛掺杂浓度的增加,剩余磁场强度(Mr)先增大后减小,在x=0.05时获得最大剩余磁场强度0.13emu/g。这种现象有两个可能原因:相对高(x>0.05)的钛掺杂浓度产生的不纯的相和高浓度的铁空位可能导致自旋磁矩的钉扎效应。铁空位的存在可能破坏Fe3+离子在晶格反平行排列的自旋序,从而相反的磁矩不能相互抵消而产生净磁矩。 4.基于密度泛函理论的理论计算表明,Ti掺杂的确改变其晶格常数和能带特征,带来了非零磁矩。