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BiFeO_3多铁陶瓷掺杂改性研究

作　者: 朱珺钏
导　师: 陈小兵
学　校: 扬州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 电滞回线陶瓷样品铁电性能掺杂量铁磁性剩余极化离子掺杂射线衍射介电异常铁材料
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

BiFeO3(BFO)是到目前为止几乎唯一同时在室温以上表现出铁电性和铁磁性的材料,是最有希望得到应用的材料之一,但大的漏电流和弱的铁磁性等问题一直制约其发展和应用。针对这些问题,本论文着重于多铁材料BFO的A、B、AB位掺杂以及与ABO3结构材料固溶改性研究。通过对它们陶瓷样品的微结构、铁电、磁电和介电性能的研究,有助于了解掺杂和固熔对BFO多铁材料的性能影响的机理,并指导设计有实用性能的新型存储材料。掺杂的样品在普通炉子里采用快速液相烧结工艺制备,固熔的样品则采用固相烧结工艺。分别采用快速液相工艺和固相烧结工艺制备了A位Nd掺杂BiFeO3多铁陶瓷,实验发现前者制备的样品不管是相的纯度还是性能均明显优于后者制备的样品。X射线衍射结果显示采用液相工艺制备的样品在掺杂量x = 0.10附近出现明显的结构相变,且掺杂后样品的剩余磁化(2Mr)和剩余极化(2Pr)都得到一定程度的提高,以铁电性能改善最为明显。掺杂后剩余极化(2Pr)呈现出先增大后减小的规律。当掺杂量x=0.10时,样品的耐压性能最好,观察到了完全饱和的电滞回线,且在200 kV/cm外加电场下剩余极化达到最大值2Pr = 49.4μC/cm2比未掺杂时提高了117.6%。随着Nd的掺杂,样品介电常数随温度的关系曲线上在尼尔温度(TN)之前170oC附近多出一个介电峰,但是在BiFeO3样品中并未发现该介电现象。仅采用Co3+离子掺杂BiFeO3陶瓷,虽然采用快速液相制备仍很难形成单相材料,在主相为BiFeO3相的基础上,多出Bi12.66Co0.33O19.33,Bi25FeCoO40相。然而Co3+、Nd3+离子共掺的X射线衍射结果显示,Nd3+离子的引入可以极大的减少这些相的数目即一定程度上起到稳定BiFeO3结构的作用。但随着Co3+离子掺杂量的增加BNFCO-x(x=0~0.3)样品逐渐从菱形相(R3C空间群)转变为立方相(I23)。样品的铁电性能随着掺杂逐渐减小,掺杂量越大电滞回线越差,但是小量的Co3+离子掺杂可以保持BNFO材料原来较好的铁电性能。样品的磁电性能均得到了提高,但是BNFCO-x(x=0~0.09)陶瓷的磁性能明显差于BFCO-x(x=0~0.09)陶瓷。随着Co3+离子掺杂量的增加,原来Bi0.9Nd0.1FeO3材料介温谱中在150oC附近的介电异常消失了,该变化可能与氧空位浓度的变化有关。在330oC附近的介电峰逐渐往低温偏移,该峰可能与BiFeO3的反铁磁相变(TN)有关,说明掺杂Co3+离子后,材料的反铁磁相变温度逐渐降低。通过将BiFeO3(BFO)和(Na0.5K0.5)NbO3(NKN)形成固熔体,我们发现材料的固熔相已经基本形成。形成的样品致密且由立方体状的晶粒组成。随着NKN掺杂量的增加,样品的电滞回线的矩形度逐渐变好,但是跟一般的层状钙钛矿比起来还是很差。样品的漏电流很大,这可能由于Fe3+离子价态的变动以及Bi3+离子、Na2O和K2O的易挥发性导致。在x=0.1时,介温谱上在350 oC附近出现一个介电峰,这个峰可能和BFO的尼尔相变温度有关,且该介电异常随着NKN量的增加逐渐向高温方向移动。当NKN含量为0.3和0.5时,分别在280 oC和305 oC又多出现一个介电异常,这可能由NKN导致。

BiFeO_3多铁陶瓷掺杂改性研究

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