B位掺杂层状钙钛矿多铁材料的性能研究

发布时间：2020-05-04 21:24

【摘要】：在众多的多铁材料中,层状铋系Aurivillius结构氧化物单相材料备受关注,其结构上是由(Bi2O2)2+和类钙钛矿结构的[An-1BnO3n+1]2-(n:类钙钛矿层数)单元沿c方向周期性排布而成,由于这种材料可能在室温或室温以上同时存在铁电和铁磁序,因此在存储、传感以及人工智能等高技术领域有着潜在的应用前景。其中,四层层状钙钛矿Bi5FeTi3O15(BFTO)是最典型的层状钙钛矿多铁材料。BFTO的铁电居里温度很高(～1003 K),但磁转变温度很低(～80 K),室温下通常表现为顺磁性。较低的磁转变温度以及较弱的磁电耦合效应使得这一材料在实际运用中受到很大的限制。研究发现,用Co取代B位的Fe可以实现室温下铁电和磁性共存,磁转变温度提高到618 K。相比BFTO,五层层状钙钛矿多铁材料Bi6Fe2Ti3O18中多了一层BiFeO3,有利于获得更好的磁性。本文的工作是用磁性离子分别对四层和五层层状钙钛矿的B位进行掺杂,制备了Bi5Fe1-xNixTi3O15(0≤x≤0.5)薄膜、Bi5FeTi2.5Co0.5O15 陶瓷和 Bi6Fe1.5Ni0.5Ti3O18 陶瓷,系统的研究其微结构、铁电、铁磁、介电等性能,并对其性能的影响机制进行探讨。论文的主要成果如下:第一章是介绍多铁材料的研究背景,包括多铁材料的起源、相关概念等知识,以及多铁材料Bi5FeTi3O15(n=4)和Bi6Fe2Ti3O18(n=5)的研究现状和目前的研究进展等内容。第二章的内容为薄膜和陶瓷材料常用的制备方法、结构和性能表征手段(如XRD、铁电性、磁性等)的基本原理介绍。第三章首先介绍了用化学溶液沉积法成功制备的Bi5Fe1-xNixTi3O15(0≤x≤0.5)薄膜,主要研究其微观结构、铁电性和磁性能等。X射线衍射谱显示随着Ni含量的增加薄膜的c取向度增加,拉曼光谱进一步证明掺入的Ni占据了 B位。Ni的掺杂量x=0.1时材料的剩余极化强度和剩余磁化强度最大,而且掺杂后的样品室温下都表现为弱铁磁行为。Ni掺杂有效地改善了该材料的室温铁电和磁性等性能。第四章是采用sol-gel法在Bi5FeTi3O15中掺Co制备Bi5FeTi2.5Co0.5O15多铁陶瓷样品。二价的Co取代四价的Ti并没有改变材料的相,由于化合价不平衡增加了氧空位的产生。离子半径的差异使得晶格进一步畸变,从而影响材料的铁电和磁性等性能。掺杂不仅实现了室温下铁电和磁性共存,而且磁居里温度提高到室温以上(～552 K)。测试样品的介电,我们发现样品介电损耗有一弛豫峰,通过拟合计算分析证明了该弛豫行为与氧空位的跳跃有关。第五章是采用sol-gel法在Bi6Fe2Ti3O18中掺Ni制备Bi6Fe1.5Ni0.5Ti3O18陶瓷,主要研究样品的铁电、铁磁和介电等。研究样品的磁性发现样品在室温下表现为弱铁磁行为,磁转变温度远远的高于室温。其弱铁磁性源于DM相互作用使得Fe-基和Ni-基次晶格的反铁磁耦合的自旋倾斜。对于样品的室温铁电性能,其剩余极化强度(2Pr)为16 μC/cm2,PUND测试说明样品的极化行为是材料本征的。第六章是对全文研究内容的总结,以及对下一步的研究工作的展望。
【图文】：

存在而发生的感生轨道磁矩的变化、电子绕原子核运动的轨道角动量的贡献以及电子本身逡逑的自旋。材料的磁性一般可以分为：顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性和抗磁性五类逡逑［１６－１９］。主要的几种磁结构如图１－２所示：逡逑（ａ）逦、邋（ｂ）ｉ，》？邋（ｃ）邋｜邋｜邋？邋？逦（ｄ）个个邋“邋ｕ逡逑＼｜邋ｄ邋ｈ邋Ｉ邋；邋＊邋＊，１逡逑卜／，＼逦．１１邋？邋Ｉ邋１邋Ｍ邋！邋ｔ邋ｔ邋ｔ邋ｔｓ逡逑＇＇一邋／逦＿邋１邋１邋！邋ｉ邋１邋ｉ邋ｉ邋１邋ｉ邋？邋？邋ｉ邋１逡逑顺磁性逦铁磁性逦反铁磁性逦亚铁磁性逡逑图１－２几种磁性的磁序示意图逡逑顺磁性：由于顺磁材料中的原子磁矩是随机取向的，在宏观上不表现出磁性，磁化强逡逑度和外加磁场的方向相同，磁化率的数量级大约为１0＿６到Ｗ５。逡逑铁磁性：由于铁磁材料中原子的磁矩平行有序排列，宏观上表现出磁性，磁化率的数逡逑量级大约为１０－１到１０６。与顺磁材料相比，铁磁材料在较弱的外场下仍然具有很大的磁化逡逑强度

其中有趣的磁电耦合现象为器件设计提供了一个额外的自由度，使人们能够通过利用磁场逡逑控制电极化，利用电场控制磁化强度等。铁电和铁磁共存的多铁材料，其结构、性能和实逡逑际应用都引起了科技工作者的广泛关注［２６］。图１－４形象地表示了铁电性和磁性共存的多逡逑铁性材料及铁电性和磁性的相互调控［２７］。逡逑．＋｜逦？邋Ｉ逡逑ｒ邋＼／逦ＦＴ－：逦同邋ｉ．逦Ｆ１逡逑＾邋ｍ－ｈ逦ｓ－．ｂ＝ｙｉｊ逡逑ｐ逦电场逦ａ场逡逑铁电性（Ｋ＞邋Ｘ邋．．．．佭逡逑．ｔ电场；Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逡逑Ｉ邋＊＊－＊——＇￣￣—逦％逡逑多碰（Ｐ铺逡逑４逦：纪十｜邋．．，Ｌ邋邋ｍ邋邋ｒ．．ｊ，，．Ｔ邋邋逡逑ｉ逦｜邋＾逡逑．Ｖ／．丨丨丨]嬝�，丨．丨丨＇焌逦邋逦逦逦Ｊ逡逑＿逦＾邋＿ｒ逡逑＿＿逦磁场逦电场逡逑图１－４铁电性和磁性相互耦合及相互调控逡逑１．３单相多铁材料逡逑
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

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本文编号：2649018