铁酸铋基多铁性陶瓷的结构与性能

发布时间：2017-12-12 13:25

  本文关键词：铁酸铋基多铁性陶瓷的结构与性能

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【摘要】：近年来,磁电多铁性材料以其丰富的物理内涵以及诱人的应用前景成为凝聚态物理以及材料科学领域的热点研究方向。BiFe03作为最重要的室温单相多铁性材料受到了广泛的关注,但它也存在一些明显的不足,包括制备困难、磁电耦合机制不明以及磁电耦合效应较弱等。在本学位论文中、系统研究了离子置换改性BiFe03基陶瓷的制备、对称性/结构演化、铁电/磁性变化规律,探讨了改善其磁电耦合效应的可能途径。获得了如下主要结论。通过快速冷却以及少量的Ti4+离子置换显著改善了 Sm置换BiFe03基陶瓷的铁电性能。其中,快速冷却可以避免缺陷偶极子的取向排列,减少对铁电畴壁的钉扎作用;而少量的Ti4+离子置换可以降低缺陷偶极子翻转的能垒,引入软化效应,进一步降低缺陷偶极子的钉扎作用。结合这两种方法,成功将Bi0.86Sm0.14FeO3基陶瓷中的剩余极化强度提高了近10倍。在Sm置换BiFe03陶瓷材料中,随着Sm含量的增加,体系经历了从菱方R3c结构(铁电性,极化方向沿[111]方向)到过渡相Pna21结构(铁电性,极化方向沿[001]方向)再到正交Pbnm相(顺电性)的结构演化历程。其中,在R3c相和Pna2i相之间的准同型相界处(Sm含量约为10%-12%),由于新极化态的出现引入了低能态的极化翻转路径,体系的铁电性能和压电性能都得到了明显的增强,这对获得强的电控磁效应具有重要的意义。Sm离子的置换会降低BiFe03中的铁电相变温度,当铁电相变温度变得低于体系的反铁磁有序温度时,反铁磁有序温度会出现约14.5K的突变,这就从实验上确认了 BiFe03中的磁电耦合强度约为1.25meV。基于DM相互作用模型,该磁电耦合强度对应于约96μC/cm2的与磁性密切相关的寄生铁电极化。正是该磁电耦合效应导致了 BiFe03中的螺旋自旋结构,但随着Sm含量增加而出现的Pna21相中,该磁电耦合机制被打破,因而表现出弱铁磁性。在R3c相与Pna21相的相界处,外电场会导致从Pna21相到R3c相的相变,同时伴随磁性从弱铁磁结构到螺旋磁结构的转变,宏观上表现出很强的电控磁效应。在稀土离子置换的BiFe03体系中,随着稀土离子含量的增加,体系都会发生从BiFe03的R3c结构到稀土铁氧体的Pbnm结构的相变,但不同半径的稀土离子引入的不同化学压会对相变途径产生重要的影响。当化学压较小时(例如Sm和Gd离子置换体系),该置换导致的相变具有典型二级相变的特征,R3c相和Pbnm相之间是连续转变的,同时两相之间会出现新的过渡相以保证相变的连续性。相变过程中出现的相共存现象是由非均质导致的,而不是该相变的本征属性。体系的铁电相变温度也是随着置换量的增加而连续下降的,铁电相变的弥散现象也起源于非均质性。当化学压较大时(Lu置换的体系),该置换导致的相变过程具有典型的一级相变的特征,Pbnm相是在R3c相中突然出现的,且存在本征的相共存现象,同时也不会有过渡相出现。体系的铁电相变温度随置换量的增加不会明显降低,这可能是由于稀土离子能够提供较大的位移极化,减弱了对铁电极化的稀释作用。该类一级相变体系中有可能存在本征的场致相变,从而实现可控的强电控磁效应。对于化学压处在临界点的情形(Ho置换的体系),置换导致的相变行为会因为制备方法的不同而不同。为了将BiFeO3的铁电相变温度和磁相变温度同时调节到室温附近以获得优异的磁电耦合性能,分别在BiFeO3的A位引入Sr离子而在B位引入Mn离子。由于Mn离子在烧结过程中可以变价,因此可以相对独立地调控Sr和Mn的置换量。当Sr和Mn的含量为1:1时,体系会在置换量为10%-20%的范围内发生从菱方R3c到立方Pm-3m的连续相变,但因为铁电相变温度下降的速度远快于磁相变温度,因此无法将这两个温度同时调节到室温。固定Sr含量为10%,同时增加Mn离子的含量,体系会在Mn离子含量为30%-40%的范围内发生从菱方R3c相到类似Bi0.5Sr0.5MnO3中的四方相的连续相变,在Mn含量为40%的组分中,铁电相变温度和磁相变温度都比较接近室温,有望获得强的磁电耦合性能。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ174.1
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本文编号：1282679