Ca替代对BiFeO3陶瓷材料磁、介电以及薄膜光学特性的影响

摘要

本论文研究了Ca2+掺杂对铁磁电材料BiFeO3结构、磁学性质、磁电耦合效应的影响，以及Ca2+掺杂BiFeO3薄膜的结构和光谱特性的影响。采用溶胶凝胶法成功制备了Bi1-xCaxFeO3系列陶瓷样品和薄膜样品，利用XRD物相分析评价样品的生长情况以及样品结构变化;利用SEM观察样品的表面形貌;用振动样品磁强计(vibrating-samplemagnetometer，VSM)测量样品的磁学性质:用HP4294A型精密阻抗分析仪测量样品相对介电常数(εr)随磁场的变化关系，进一步研究样品的磁电耦合效应;利用UV3600紫外-可见光-近红外分光光度计测量薄膜的透射率随光照波长的变化，并在此基础上研究了Ca2+掺杂对薄膜样品禁带宽度的影响。对陶瓷样品的研究结果表明:所有样品具有良好的晶体结构，晶粒尺寸随着Ca2+的引入而整体变小，在室温下均具有完整的磁滞回线，样品的铁磁性显著提高，当x=0.1时，剩余磁化强度达到最大（0.11emu/g）。在外加磁场为5000Oe时，磁矩随温度(300K-900K)变化测量显示Bil-xCaxFeO3系列样品在644K附近出现明显的反铁磁相变，并且反铁磁相变温度TN随着掺杂量的增加而升高。顺磁相变温度TP以及TN和TP处磁矩的差值随Ca2+的变化都呈现出先上升，在x=0.1时达到最大值，之后又降低的趋势。另外样品在850K处磁矩出现一个明显变化，并且这个变化的强度随Ca2+掺杂量而改变，这种现象少见报道。不同磁场下样品磁矩随温度变化曲线表明Bi1-xCaxFeO3陶瓷样品存在变磁性，且当x=0.1时变磁性最为明显。外加磁场为1000Oe下，低温(50K-300K)ZFC和FC测量显示所有陶瓷样品表现出自旋玻璃态的特性。磁电耦合效应观测到样品的磁电耦合系数(MD)为负值，介电常数随外磁场变化灵敏，x=0.1时磁电耦合效应达到-14.2％，是纯相BiFeO3(-5％)的近3倍，这表明适量的Ca2+掺杂能够增强样品的磁电耦合性能。薄膜样品XRD分析表明结晶良好，未出现杂相。Ca2+掺杂使得BiFeO3的晶格结构由斜六面体转变为三角晶系。薄膜样品的透射率和禁带宽度测量表明Ca2+掺杂使得样品平均透射率降低，同时随着掺杂量的增加，样品的禁带宽度降低。这说明Ca2+的引入可有效的调控BiFeO3的透射率和禁带宽度。

目录

摘要

第一章 绪论

第二章 有关铁磁电复合材料的综述

2．1 铁磁材料及其本质

2．1．1 物质的磁性分类

2．1．2 铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线

2．1．3 自旋翻转和变磁性

2．1．4 自旋玻璃态

2．2 铁电材料及其本质

2．2．1 铁电材料的本质

2．2．2 钙钛矿结构的铁电材料

2．3 铁磁电材料的基本理论

2．3．1 铁磁电材料的特征

2．3．2 磁电效应的两种来源

2．4 电介质材料介电性的本质及特性参数介绍

2．4．1 电介质和介电常数

2．4．2 电极化及其微观机制的描述

2．4．3 介电损耗tgδ

第三章 典型的铁磁电材料BiFeO3

3．1 BiFeO3的结构及其性质

3．1．1 BiFeO3的结构

3．1．2 BiFeO3铁电性和铁磁性

3．2 BiFeO3的研究状况

3．2．1 BiFeO3的研究进展

3．2．2 BiFeO3研究的新热点-光伏效应研究

第四章 溶胶凝胶法制备Bi1-xCaxFeO3陶瓷

4．1 样品的制备和表征

4．1．1 溶胶凝胶法制备Bi1-xCaxFeO3陶瓷样品

4．1．2 Bi1-xCaxFeO3陶瓷样品的表征方法

4．2 实验结果与讨论

4．2．1 X射线衍射分析和扫描电镜分析

4．2．2 室温磁性能分析

4．2．3 变温(300K-900K)磁性分析

4．2．4 变磁性分析

4．2．5 低温(50K-300K)磁性分析

4．2．6 磁电耦合效应

第五章 溶胶凝胶法制备Bi1-xCaxFeO3薄膜及光谱性能研究

5．1 样品的制备

5．1．1 前驱体溶液的配置

5．1．2 薄膜的旋涂

5．1．3 薄膜的退火处理

5．2 Bi1-xCaxFeO3薄膜样品的表征方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 Bi1-xCaxFeO3薄膜样品的XRD分析

5．3．2 Bi1-xCaxFeO3薄膜样品的透射率和禁带宽度

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的研究成果

声明