掺杂、氧含量对BiFeO陶瓷介电性的影响及正电子湮没谱的研究

摘要

本论文研究氧含量和稀土掺杂对铁磁电材料BiFeO<,3>电学性质的影响。采用固相反应法制备一系列样品，利用XRD物相分析评价样品晶粒生长状况，用原子吸收光谱仪间接测定了样品中的氧含量，用正电子湮没技术(PAT)研究了样品的微观结构缺陷，在室温下，测量了样品的电学性质。利用XRD物相分析可知：在一定的范围内稀土掺杂和氧含量的变化对BiFeO<,3>样品的主体晶格结构没有影响，适量的稀土掺杂能有效地消除样品中的杂相。稀土元素Gd掺杂使BiFeO<,3>晶胞参数有所减小，晶胞体积变小。不同氧含量BiFeO<,δ>样品其晶格结构均与BiFeO<,3>样品晶格结构一样。随掺杂量的增加BiFeO<,3>陶瓷的电阻率整体呈下降趋势，但掺杂量为0.10陶瓷样品的电阻率呈上升趋势，这是因为Fe<'2+>转变成Fe<'3>使得材料中氧空位减少的缘故；用正电子湮没技术(PAT)探测氧空位和稀土掺杂在BiFeO<,3>陶瓷样品中形成的空位，缺陷，当掺杂量x<0.10时，平均寿命τ<,Av>减小，在x=0.10点，平均寿命τ<,Av>最小，样品中的缺陷和空位减少，当x>0.10后，平均寿命，τ<,Av>开始明显增大，样品中的缺陷和空位增多。在BiFeO<,δ>样品中，正电子的平均寿命随着氧含量的增加而减小，这说明样品中的空位、缺陷是随着氧含量的增加而减少。测量了所有样品的介电特性随频率的变化，大多数Gd掺杂样品的介电常数都比未掺杂的BiFeO<,3>有不同程度的提高，Bi<,0.95>Fe<,0.05>O<,3>样品的介电常数ε<,r>，最大：除Bi<,0.95>Fe<,0.05>O<,3>样品外，Gd掺杂各组样品的介电损耗tanδ都比未掺杂BiFeO<,3>的略为减小。在含氧量不同的样品中，引入氧空位和氧填隙缺陷都使介电常数减小，而介电损耗则随氧含量的增加而增加，二者的变化范围均在10-35％之间，BiFeO<,δ>样品的介电参数随氧含量的变化可以在空间电荷限制电导的框架下来理解。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第二章有关铁磁电复合材料的概述

2.1铁电材料的本质及其结构

2.1.1铁电材料的本质

2.1.2钙钛矿结构的铁电材料

2.2铁磁材料及其本质

2.2.1物质的磁性分类

2.2.2铁磁材料的磁滞回线

2.3铁磁材料的理论模型

2.3.1局域电子模型

2.3.2巡游电子模型

2.4铁磁电材料的基本理论

2.4.1铁磁电材料的特征

2.4.2磁电效应的两种来源

2.5典型的铁磁电材料—BiFeO3

2.5.1 BiFeO3的铁电性与铁磁性

2.5.2 BiFeO3的稀土掺杂改性

第三章BiFeO3基陶瓷样品的制备与结构分析

3.1样品的制备

3.1.1 BiFeO3基陶瓷的一般制备方法

3.1.2样品的制备

3.2样品结构的X射线衍射分析

3.2.1 X射线分析原理及方法

3.2.2样品结构的X射线衍射分析讨论

第四章BiFeOδ陶瓷样品氧含量的测量

4.1金属原子吸收仪的理论

4.1.1金属原子吸收仪的原理

4.1.2原子吸收光谱的测量

4.1.3吸光度与浓度之间的关系

4.2实验部分

4.2.1实验仪器

4.2.2仪器工作的参数

4.2.3金属元素Fe、Bi标准溶液的工作曲线

4.2.4样品中Fe、Bi元素的测量及误差分析

第五章BiFeO3基陶瓷样品正电子湮没谱的研究

5.1正电子湮没谱学的基本理论

5.1.1正电子

5.1.2正电子与物质的相互作用

5.1.3正电子湮没

5.2正电子湮没寿命谱实验装置

5.2.1快-快符合正电子寿命谱仪的基本原理

5.2.2快-快符合正电子寿命谱仪各组件简介

5.2.3正电子寿命谱仪的调试与校正

5.3正电子寿命谱的数据处理

5.3.1二态捕获模型

5.3.2正电子寿命谱数据处理的数学方法

5.4正电子湮没技术的特点及其在研究铁电材料中的应用

5.4.1正电子湮没技术研究材料的特点

5.4.2正电子技术在钙钛矿材料研究中的应用

5.4.3正电子技术的发展及其局限性

5.5正电子湮没实验测量

5.5.1正电子湮没实验测量方法

5.5.2 Bi1-xGdxFeO3陶瓷样品正电子湮没寿命谱实验结果与讨论

5.5.3 BiFeOδ陶瓷样品正电子湮没寿命谱实验结果与讨论

第六章BiFeO3系列陶瓷样品的电性能研究

6.1介电常数

6.2介电性的物理本质

6.2.1电极化及其描述

6.2.2电极化的微观机制

6.3介电损耗

6.3.1介电损耗tgδ

6.3.2极化损耗机理

6.4样品电性能的测试与研究

6.4.1 Bi1-xGdxFeO3室温电阻率的测试与研究

6.4.2 BiFeOδ室温电阻率的测试与研究

6.5 Bi1-xGdxFeO3系列样品介电性能的测试与讨论

6.5.1 Bi1-xGdxFeO3介电性能的测试与结果

6.5.2 Bi1-xGdxFeO3介电性能测试结果的讨论

6.6 BiFeOδ系列样品介电性能的测试与讨论

6.6.1 BiFeOδ介电性能的测试与结果

6.6.2氧含量(δ)对BiFeO3陶瓷介电性能影响的讨论

6.7小结

第七章总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的研究成果