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溶胶—凝胶法制备BiFeO3多铁性薄膜及其电磁性能的研究

作　者: 宛鹏菲
导　师: 竺云
学　校: 天津师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 溶胶-凝胶法 BFO薄膜 多铁性 电纺法 BFO纳米纤维
分类号: O484.43
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


BiFeO3(BFO)是斜六方畸变钙钛矿的结构,属于R3c空间群。它是为数不多的,在室温下同时呈现铁电性(居里温度Tc=810℃)和G型反铁磁性(奈尔温度TN=380℃)的单相多铁材料。BFO在理论上具有极大的饱和极化强度(大约为100μC/cm2),但BFO陶瓷的实验值只有几个μC/cm2。理论值与实验值的巨大差异主要是因为制备过程中Fe3+离子易转变为Fe2+离子,产生氧空位,使材料产生很大的漏电流,绝缘性降低。为了解决这一难题,人们对制备方法等进行改进,并将重点转向制备薄膜或一维尺度的纳米纤维。本文采用溶胶-凝胶法以分析纯的硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)和分析纯的硝酸铋(Bi(NO3)3-5H2O)为原料,在Pt/SiO2/Si衬底上成功制备了BiFeO3薄膜。研究了不同制备条件对BiFeO3薄膜物相结构的影响,得到了较好的制备工艺。XRD结果显示,乙醇胺的量为0.05ml,有利于合成更纯的前驱体；退火温度为500℃时,薄膜样品就已经形成了良好的BiFeO3相,退火温度为550℃时,薄膜样品基本没有杂质,且呈现随机取向。随后对样品进行铁电性能,介电性能和磁性能的测试。结果显示,室温下样品呈现清晰的电滞回线和磁滞回线,当外加电场为14x107V/m时,薄膜的剩余极化强度达到10.12μC/cm2;样品的介电常数以及介电损耗都基本保持不变,测试频率范围为(1KHz-1MHz).理论上,材料的性能在纳米尺度范围会有较大的改变,一维纳米结构的BFO能比薄膜有更好的电和磁性能,所以人们开始关注一维纳米结构的BFO。本文用电纺法成功制备纯相BFO纳米纤维。利用不同浓度BFO/PVP混合溶液和不同电压值进行对比实验,得到制备BFO纳米纤维的最佳制备条件为：BFO前驱体溶液与等体积的0.6g/mL PVP乙醇溶液混合后的溶液浓度,电压值为25kV。在最佳条件下得到的纳米纤维是连续光滑的,直径均匀的,没有珠状物和粘连现象出现。退火前后纤维直径分别为2±0.5μm和420±40nm。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章 绪论  11-20
  1.1 多铁性材料的性质  11-14
    1.1.1 磁性  11-12
    1.1.2 铁电性  12-14
  1.2 多铁性材料的分类  14-15
  1.3 多铁性材料BiFeO_3  15-17
    1.3.1 BiFeO_3的晶格结构  15-17
    1.3.2 铁电性和磁性  17
  1.4 多铁性材料BiFeO_3的研究现状  17-18
  1.5 本文研究的主要目的和内容  18-20
第二章 BiFeO_3薄膜的制备方法及表征方法  20-32
  2.1 BiFeO_3薄膜的制备方法  20-24
    2.1.1 脉冲激光沉积  20-21
    2.1.2 磁控溅射法  21-23
    2.1.3 金属有机物化学气相沉积  23
    2.1.4 溶胶-凝胶法  23-24
  2.2 BiFeO_3薄膜的制备  24-28
    2.2.1 实验原料  24-25
    2.2.2 实验仪器  25
    2.2.3 样品制备的流程  25-28
  2.3 BiFeO_3薄膜的分析方法  28-32
    2.3.1 BiFeO_3薄膜结构的表征方法  29-30
    2.3.2 BiFeO_3薄膜性能的分析方法  30-32
第三章 BiFeO_3薄膜的晶体结构分析和电磁性能分析  32-43
  3.1 BiFeO_3薄膜的晶体结构分析  32-35
    3.1.1 乙醇胺的影响  32-33
    3.1.2 退火温度的影响  33-35
  3.2 BiFeO_3薄膜的电性能分析  35-40
    3.2.1 BiFeO_3薄膜的铁电性能分析  36-39
    3.2.2 BiFeO_3薄膜的介电性能分析  39-40
  3.3 BiFeO_3薄膜的磁性能分析  40-42
  3.4 本章小结  42-43
第四章 BiFeO_3纳米线的制备及性能分析  43-52
  4.1 BiFO_3纳米纤维  43-44
  4.2 纳米线的制备方法  44-45
  4.3 BiFO_3纳米纤维的制备  45-46
  4.4 BiFO_3纳米纤维的表征  46-51
    4.4.1 晶体结构的表征  46-47
    4.4.2 显微结构的表征  47-51
  4.5 结论  51-52
第五章 结论与展望  52-54
参考文献  54-57
致谢  57-58
发表的论文  58

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的性质 > 磁性质
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