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[摘要] 相图法是探索新型化合物存在性的一个行之有效的方法。本课题希望利用这一方法来找到新型的多铁性的化合物:用高温固相法合成了该体系的各种样品,用粉末X射线衍射确定了其中的物相,经分析得到了各个化合物的相关系,并初步确定了这个三元相区里的相关系。
[关键词] 多铁性材料 固相反应 粉末衍射 固溶区
多铁性材料(multiferroics)是一种新型多功能材料,具有共存的铁电性和磁性,并且它们之间存在强烈的耦合。磁性材料与电子材料的发展渗透于现代技术的各个领域中,器件小型化的发展趋势导致人们对集电与磁性于一身的多功能材料研究兴趣的日益提高。多铁性材料就是这样的一种多功能材料,目前正受到越来越多的关注。
一、多铁性材料的研究现状
自然界中只有很少数的单相物质具有这种特殊的强磁电耦合效应。沿用Van Suchtelen的思想,人们制备了一系列具有磁电耦合效应的异质结构,主要有铁电、铁磁单相材料的复合压层、嵌入式和混合型复合材料及超晶格结构材料。压电相采用BiTiO3 和PZT系列,压磁相则采用绝缘性很好、磁致伸缩系数较大的尖晶石如CoFe2O4等或超磁致伸缩材料如Terfenol2-D等,可以在合适的衬底上沉积形式不同的薄膜结构,也可以用PLD制成超晶格结构。
二、课题的设计思想
本课题通过设计在同一个化合物中同时引入磁性离子Co3+和具有孤对电子的Bi3+,从而期望得到同时具有磁性和铁电性的新型单相的多铁性化合物。于是我们利用相图法对这一体系进行了研究:用高温固相法合成了该体系的各种样品,用粉末X射线衍射确定其中的物相,从而进一步分析其中各个化合物的相关系并判定其中是否存在新的化合物。如果存在新的化合物,我们将利用粉末X射线衍射的数据结合电子衍射等方法来确定化合物的结构,并通过电性和磁性的测量来检验该化合物是否是多铁性的化合物。
三、样品的合成与表征
1.实验所用试剂及其规格
本实验中所用的试剂信息如下表:
常用试剂的纯度及规格
2.样品合成方法
传统的固体化学合成方法是采用固体的原料粉末直接混合研磨后压片烧结来制备。这种方法的反应速度主要由三个因素决定:(1)反应固体之间的接触面积及其表面积;(2)产物相得成核速度;(3)离子通过各物相特别是产物相的扩散速度。反应速度可以通过提高混合均匀度,减小原料颗粒尺寸和提高反应温度等方法来加快。然而,在有些反应体系中,过高的温度会带来反应组分(如碱金属,Pb,Bi等)挥发,所以固体化学家改进了固体合成方法,用提高固体接触面及其表面积来降低反应温度,如共沉淀法和溶胶凝胶法。
3.样品合成步骤
本课题体系涉及的元素种类较多且不易挥发,化合物组成复杂,故样品合成均使用传统固相反应法,一般制备过程如下:
首先,选取适当的原料化合物,如金属碳酸盐或金属氧化物等在一定温度下处理,以除掉吸附的H2O、CO2等杂质;其次,将反应物按一定的摩尔比在玛瑙研钵中混合均匀,混合时加入适量乙醇丙酮来促进混合均匀。再将样品转移到Al2O3坩埚中在一定温度下预烧,预烧温度一般为750℃,这个步骤可以将原料分解完全,并初步进行反应。然后将样品冷却、研磨、压片,在950℃进行反应。通过多次重复烧结、研磨,最终达到平衡,期间利用X射线粉末衍射监测反应程度。
四、Co3O4-Bi2O3-Ta2O5体系的相关系
通过设计在同一个化合物中同时引入磁性离子Co3+和具有孤对电子的Bi3+,从而期望得到同时具有磁性和铁电性的单相的多铁性化合物。通过固相反应的办法,系统研究了它们在空气气氛下的平衡相关系。
1.实验方法
利用固相反应法对Co3O4-Bi2O3-Ta2O5在空气下950℃的平衡相关系进行了研究。首先将原料Co2O3在750℃下预烧10小时使之变为Co3O4,然后按照一定的配比将原料Co3O4,Bi2O3和Ta2O5混合均匀,热处理过程均在Al2O3坩埚中进行,反复研磨,烧结至XRD图谱不再变化,最终平衡条件为950℃,12小时。
2. Co3O4-Bi2O3-Ta2O5体系950℃下的平衡相关系
如图所示,在Co3O4-Bi2O3-Ta2O5体系的三元相图中,分为A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K共11个部分,其中A区是一个立方相的固溶区,C和F是两相区,B,D,E,G,H,I,J是三相区,K区内的组分化合物在950℃下已经融化,所以我们在950℃下不研究该区的相平衡关系。
950℃下Co3O4-Bi2O3-Ta2O5体系的三元相关系
与一般的固溶线不同,A区中Co3+,Bi3+和Ta5+离子一个比较大的配比范围内生成的化合物为一个单相化合物,显示为一个固溶区。可以设想如果选择一个固溶体系列贯穿固溶区范围,研究随着离子比例的变化,该固溶体系列可能会出现一些理性性质的变化。
3.Co3O4-Bi2O3-Ta2O5体系的研究小结
通过高温固相反应的方法,初步完成样品的合成工作,系统研究了Co3O4-Bi2O3-Ta2O5体系在950℃条件下的三元相关系,初步确定了这个三元相区里的相关系。今后将重点研究固溶区A中化合物的相关性随着组分配比的变化。由于在固溶区A中的化合物中同时存在磁性离子Co3+和具有孤对电子的Bi3+,从而期望可能同时具有磁性和铁电性。
参考文献:
[1]Schmid H. Multi-ferroic magnetoelectrics.Ferroelectrics,1994.162.317-338.
[2]West A. R著.苏勉曾,谢高阳,申泮文等译.固体化学及其应用.上海:复旦大学出版社,1989.
[3]熊兆贤.无机材料研究方法-合成制备、分析表征与性能检测.厦门:厦门大学出版社,2001.
[4]Marcilly C.,Courty P. and Delmon B., J. Am. Ceram. Soc.,1970,53(1):56.
[5]梁敬魁.相图与相结构相图的理论实验和应用.北京:科学出版社,1993.
[6]叶于浦,顾菡珍,郑朝贵.无机物相平衡(无机化学丛书第十四卷).北京:科学出版社,1997.
[7]Hill N A , Why are there so few magnetic ferroelect rics. J Phys Chem B , 2000 ,104:6694.
[8]Zheng H , et al. Multiferroic BaTiO3-CoFe2O4nanost ructures. Science , 2004,303:661.
[9]Singh M P , Prellier W , Simon C ,et al. Magnetocapacitance effect in perovskite2superlattice based multiferroics. Appl Phys Lett,2005,87.
[10]Zeng M , et al. Resonance magnetoelect ric effect in bulk composites of lead zirconate titanate and nickel ferrite. J Appl Phys,2004,95(12):8069.
[11]Nan C2W , et al. Coupled magnetic2elect ric properties and critical behavior in multiferroic particulate composites. J Appl Phys,2003.
[关键词] 多铁性材料 固相反应 粉末衍射 固溶区
多铁性材料(multiferroics)是一种新型多功能材料,具有共存的铁电性和磁性,并且它们之间存在强烈的耦合。磁性材料与电子材料的发展渗透于现代技术的各个领域中,器件小型化的发展趋势导致人们对集电与磁性于一身的多功能材料研究兴趣的日益提高。多铁性材料就是这样的一种多功能材料,目前正受到越来越多的关注。
一、多铁性材料的研究现状
自然界中只有很少数的单相物质具有这种特殊的强磁电耦合效应。沿用Van Suchtelen的思想,人们制备了一系列具有磁电耦合效应的异质结构,主要有铁电、铁磁单相材料的复合压层、嵌入式和混合型复合材料及超晶格结构材料。压电相采用BiTiO3 和PZT系列,压磁相则采用绝缘性很好、磁致伸缩系数较大的尖晶石如CoFe2O4等或超磁致伸缩材料如Terfenol2-D等,可以在合适的衬底上沉积形式不同的薄膜结构,也可以用PLD制成超晶格结构。
二、课题的设计思想
本课题通过设计在同一个化合物中同时引入磁性离子Co3+和具有孤对电子的Bi3+,从而期望得到同时具有磁性和铁电性的新型单相的多铁性化合物。于是我们利用相图法对这一体系进行了研究:用高温固相法合成了该体系的各种样品,用粉末X射线衍射确定其中的物相,从而进一步分析其中各个化合物的相关系并判定其中是否存在新的化合物。如果存在新的化合物,我们将利用粉末X射线衍射的数据结合电子衍射等方法来确定化合物的结构,并通过电性和磁性的测量来检验该化合物是否是多铁性的化合物。
三、样品的合成与表征
1.实验所用试剂及其规格
本实验中所用的试剂信息如下表:
常用试剂的纯度及规格
2.样品合成方法
传统的固体化学合成方法是采用固体的原料粉末直接混合研磨后压片烧结来制备。这种方法的反应速度主要由三个因素决定:(1)反应固体之间的接触面积及其表面积;(2)产物相得成核速度;(3)离子通过各物相特别是产物相的扩散速度。反应速度可以通过提高混合均匀度,减小原料颗粒尺寸和提高反应温度等方法来加快。然而,在有些反应体系中,过高的温度会带来反应组分(如碱金属,Pb,Bi等)挥发,所以固体化学家改进了固体合成方法,用提高固体接触面及其表面积来降低反应温度,如共沉淀法和溶胶凝胶法。
3.样品合成步骤
本课题体系涉及的元素种类较多且不易挥发,化合物组成复杂,故样品合成均使用传统固相反应法,一般制备过程如下:
首先,选取适当的原料化合物,如金属碳酸盐或金属氧化物等在一定温度下处理,以除掉吸附的H2O、CO2等杂质;其次,将反应物按一定的摩尔比在玛瑙研钵中混合均匀,混合时加入适量乙醇丙酮来促进混合均匀。再将样品转移到Al2O3坩埚中在一定温度下预烧,预烧温度一般为750℃,这个步骤可以将原料分解完全,并初步进行反应。然后将样品冷却、研磨、压片,在950℃进行反应。通过多次重复烧结、研磨,最终达到平衡,期间利用X射线粉末衍射监测反应程度。
四、Co3O4-Bi2O3-Ta2O5体系的相关系
通过设计在同一个化合物中同时引入磁性离子Co3+和具有孤对电子的Bi3+,从而期望得到同时具有磁性和铁电性的单相的多铁性化合物。通过固相反应的办法,系统研究了它们在空气气氛下的平衡相关系。
1.实验方法
利用固相反应法对Co3O4-Bi2O3-Ta2O5在空气下950℃的平衡相关系进行了研究。首先将原料Co2O3在750℃下预烧10小时使之变为Co3O4,然后按照一定的配比将原料Co3O4,Bi2O3和Ta2O5混合均匀,热处理过程均在Al2O3坩埚中进行,反复研磨,烧结至XRD图谱不再变化,最终平衡条件为950℃,12小时。
2. Co3O4-Bi2O3-Ta2O5体系950℃下的平衡相关系
如图所示,在Co3O4-Bi2O3-Ta2O5体系的三元相图中,分为A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K共11个部分,其中A区是一个立方相的固溶区,C和F是两相区,B,D,E,G,H,I,J是三相区,K区内的组分化合物在950℃下已经融化,所以我们在950℃下不研究该区的相平衡关系。
950℃下Co3O4-Bi2O3-Ta2O5体系的三元相关系
与一般的固溶线不同,A区中Co3+,Bi3+和Ta5+离子一个比较大的配比范围内生成的化合物为一个单相化合物,显示为一个固溶区。可以设想如果选择一个固溶体系列贯穿固溶区范围,研究随着离子比例的变化,该固溶体系列可能会出现一些理性性质的变化。
3.Co3O4-Bi2O3-Ta2O5体系的研究小结
通过高温固相反应的方法,初步完成样品的合成工作,系统研究了Co3O4-Bi2O3-Ta2O5体系在950℃条件下的三元相关系,初步确定了这个三元相区里的相关系。今后将重点研究固溶区A中化合物的相关性随着组分配比的变化。由于在固溶区A中的化合物中同时存在磁性离子Co3+和具有孤对电子的Bi3+,从而期望可能同时具有磁性和铁电性。
参考文献:
[1]Schmid H. Multi-ferroic magnetoelectrics.Ferroelectrics,1994.162.317-338.
[2]West A. R著.苏勉曾,谢高阳,申泮文等译.固体化学及其应用.上海:复旦大学出版社,1989.
[3]熊兆贤.无机材料研究方法-合成制备、分析表征与性能检测.厦门:厦门大学出版社,2001.
[4]Marcilly C.,Courty P. and Delmon B., J. Am. Ceram. Soc.,1970,53(1):56.
[5]梁敬魁.相图与相结构相图的理论实验和应用.北京:科学出版社,1993.
[6]叶于浦,顾菡珍,郑朝贵.无机物相平衡(无机化学丛书第十四卷).北京:科学出版社,1997.
[7]Hill N A , Why are there so few magnetic ferroelect rics. J Phys Chem B , 2000 ,104:6694.
[8]Zheng H , et al. Multiferroic BaTiO3-CoFe2O4nanost ructures. Science , 2004,303:661.
[9]Singh M P , Prellier W , Simon C ,et al. Magnetocapacitance effect in perovskite2superlattice based multiferroics. Appl Phys Lett,2005,87.
[10]Zeng M , et al. Resonance magnetoelect ric effect in bulk composites of lead zirconate titanate and nickel ferrite. J Appl Phys,2004,95(12):8069.
[11]Nan C2W , et al. Coupled magnetic2elect ric properties and critical behavior in multiferroic particulate composites. J Appl Phys,2003.