Bi5Ti3FeO15基磁电多铁材料的物性及掺杂改性研究

论文摘要

多铁性材料是指一类同时具有铁电性、铁磁性或者铁弹性的材料，已经引起了科研工作者广泛的关注。更为值得注意的是，多铁性材料有可能实现铁磁性和铁电性之间的相互调控，也就是说在外加电场的条件下不仅使材料具有铁电极化性质，还能够诱导激发磁化，同样外加磁场也能够诱导材料的铁电极化性质，即具有磁电耦合效应。多铁性材料可以认为是一种新型的多功能材料，在信息存储、磁传感器以及自旋电子器件等方面有广阔的应用前景。单相多铁性材料因其优异的特性，引起了科研工作者的广泛关注。最引起人们注意的是铁电性和铁磁性共存的单相多铁性材料，但遗憾的是这类材料在自然界和实验室中非常稀少。经过科研工作者们坚持不懈的努力，发现Aurivillius相的铋系钙钛矿结构在室温下有比较强的铁磁性和铁电性。本文研究了采用固相法制备的Bi5Ti3FeO15陶瓷以及对其Bi和Fe位同时进行掺杂改性研究，并对该体系的陶瓷样品进行物理性能的研究与探讨。本文对单相多铁性材料的研究主要有以下的工作和结论：（1）用传统的陶瓷烧结方法--固相法制备了Bi5Ti3FeO15陶瓷，并研究了材料的微观结构、铁电性、铁磁性、介电性和光学性能分析。研究结果显示制备的Aurivillius相的陶瓷是四层钙钛矿结构，微粒尺寸大约为2-5μm。介电曲线图中在1007和1090K出现了两个介电异常峰，对应于两种相变。从电滞回线图中可以看出剩余极化和矫顽力分别为6.08μC/cm2和59kV/cm。磁滞回线图显示材料在室温下具有弱的铁磁性并从本质上分析了磁性增强的原因。紫外可见光分析知道材料的禁带宽度2.03eV。（2）用同样的陶瓷制备方法制备了（Bi4RE）Ti3（Fe0.5Co0.5）O15（RE=Nd、Sm、Gd、Dy），陶瓷仍然是片状的四层钙钛矿结构的斜方晶系。陶瓷的铁磁性明显的得到了增强，当掺杂的稀土元素为Nd时剩余磁化（2Mr）达到最大，而矫顽场（2Hc）是最小的。分析认为铁磁性增强是因为（a）掺杂Co元素会导致钙钛矿结构的氧八面体发生畸变最终导致尺寸结构失配，在Bi位掺杂稀土元素会导致铁氧或者钛氧八面体的倾斜，倾斜后破坏陶瓷的内部结构，因此会释放陶瓷内部的一些潜在的磁性；（b）可能会形成Fe–O–Co键之间的直接耦合；（c）稀土元素的自旋为7/2，比其他的元素强。（3）用固相法制备了（Bi5-xLax）Ti3（Fe0.5Co0.5）O15（x=1、2、3）陶瓷，由XRD图可以看出我们所制备的陶瓷样品是单相的，陶瓷样品的铁磁性和铁电性在x=2时达到最大。铁磁性比Bi5Ti3FeO15陶瓷样品的明显增强，但铁电性却没有，具体的原因还有待进一步的探讨。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 多铁性与磁电耦合
• 1.3 单相多铁性材料
• 5Ti₃FeO₁₅的研究现状'>1.4 Bi₅Ti₃FeO₁₅的研究现状
• 1.5 多铁性磁电材料的研究意义
• 1.6 本论文的选题依据和主要内容
• 2 陶瓷样品的制备和性能表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验制备
• 2.3 材料表征与性能测试
• 2.4 本章小结
• 5Ti₃FeO₁₅陶瓷的制备和性能表征'>3 Bi₅Ti₃FeO₁₅陶瓷的制备和性能表征
• 3.1 引言
• 5Ti₃FeO₁₅陶瓷样品的制备'>3.2 Bi₅Ti₃FeO₁₅陶瓷样品的制备
• 5Ti₃FeO₁₅陶瓷样品的结构和性能分析'>3.3 Bi₅Ti₃FeO₁₅陶瓷样品的结构和性能分析
• 3.4 本章小结
• 4RETi₃(Fe_0.5Co_0.5)O₁₅陶瓷的制备与性能研究'>4 Bi₄RETi₃(Fe_0.5Co_0.5)O₁₅陶瓷的制备与性能研究
• 4.1 引言
• 4RE）Ti₃(Fe_0.5Co_0.5)O₁₅陶瓷的制备工艺'>4.2 （Bi₄RE）Ti₃(Fe_0.5Co_0.5)O₁₅陶瓷的制备工艺
• 4RE）Ti₃(Fe_0.5Co_0.5)O₁₅陶瓷的结构和性能表征'>4.3 （Bi₄RE）Ti₃(Fe_0.5Co_0.5)O₁₅陶瓷的结构和性能表征
• 4.4 本章小结
• 5-xLa_xTi₃Fe_0.5Co_0.5O₁₅x=1、2、3陶瓷的制备与性能研究'>5 Bi_5-xLa_xTi₃Fe_0.5Co_0.5O₁₅x=1、2、3陶瓷的制备与性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 陶瓷样品的制备
• 5-xLa_xTi₃Fe_0.5Co_0.5O₁₅=1、2、3陶瓷样品的性能分析'>5.3 Bi_5-xLa_xTi₃Fe_0.5Co_0.5O₁₅=1、2、3陶瓷样品的性能分析
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献