多铁性BaTiO3--BaFe12O19复合材料磁电性能的研究

摘要

电子信息技术的发展迫切需要各种电子元器件实现微型化和多功能化。多铁性材料同时具有两种或两种以上基本铁性（包括铁电性、铁磁性、铁弹性），因而受到越来越多的关注与研究，在制备新型多功能器件方面有潜在的应用价值。由铁电相BaTiO3和铁磁相Ba Fe12O19组成的多铁性复合材料通常具有优异的磁、电性能，在传感器和多态存储器中都有着广泛的应用前景。目前所制备的多铁性复合材料的性能往往低于理论预测值，这主要是由于材料内部存在的缺陷及裂纹、复合材料两相间发生化学反应、低电阻率铁磁相材料的引入所引起的。为了解决这些问题，一方面可以选择一些新型的制备技术来抑制复合材料两相间的化学反应，另一方面也可通过调控复合材料的复合结构来改善低电阻率铁磁相材料所引起的漏导电流增大、材料绝缘性变差等问题。 本研究选择全程微波辅助法制备BaTiO3-BaFe12O19复合陶瓷材料。首先采用微波水热法合成BaTiO3和BaFe12O19纳米粉体，通过构建高度均匀的铁磁和铁电两相体系，利用微波烧结的快速致密化技术，达到控制两相晶粒尺寸、抑制界面反应和扩散、减少材料宏观缺陷。最终获得物相、结构均匀的BaTiO3-BaFe12O19复合陶瓷材料。同时，利用扫描电镜、透射电镜等测试手段观察纳米颗粒的形貌演变过程，以铁电-介电性能测定、铁磁性能测试等检测为手段，研究不同复合结构(0-3型、3-0型以及2-2型复合结构)的BaTiO3-BaFe12O19复合材料的纳米结构、界面特性对材料铁电-磁介电性能的影响。解决复合材料中颗粒尺寸不匹配、混合不均匀、材料绝缘特性恶化等问题，为设计新型多功能的多铁性材料提供理论依据。 通过N2和O2气氛热处理工艺，获得具有不同氧空位浓度的0.7BaTiO3-0.3BaFe12O19复合陶瓷，研究氧空位在复合材料电导行为所起的作用。研究发现，在氮气和空气中热处理的复合陶瓷具有优异的电导特性，这是由于样品中大量的氧空位参与电导行为所导致。通过计算，复合陶瓷的电导活化能为～0.3eV，表明参与导电行为的主要是一次电离的氧空位(Vo)。经过气氛处理的所有样品室温下都呈现出良好的铁磁性能，并且饱和磁化强度与氧空位的浓度成正比。经过氮气气氛热处理的复合陶瓷，磁化强度提高了16％。研究揭示了氧空位在复合陶瓷的铁磁性和导电特性中所发挥的重要作用。 为了解决低电阻率引入所产生的材料介电损耗和漏电流过大的问题，制备了不同复合结构的BaTiO3-BaFe12O19复合材料。BaTiO3-BaFe12O19复合陶瓷的主要极化机制为空间电荷极化，在200～300℃出现介电峰，介电峰的位置随着频率的增加而增大;随着BaFe12O19含量的增加，样品的介电常数和介电损耗增大。相比于普通颗粒性复合材料，0-3型(1-x)BaTiO3-xBaFe12O19(x=0.02，0.04，0.60，0.80，0.10，0.12)复合陶瓷材料中BaTiO3和BaFe12O19两相均匀分布，可有效减小材料的介电损耗。 3-0型(1-x)BaTiOa-xBaFe12O19(x=0.05，0.10，0.15，0.20)复合陶瓷材料将低电阻率的BaFe12O19包覆在BaTiO3内部，阻碍了载流子的长程迁移运动，进一步降低复合陶瓷的介电损耗和漏导电流、增强材料的铁电、铁磁特性。与相同组分的0-3型复合陶瓷相比，3-0型0.90BaTiO3-0.10BaFe12O19复合陶瓷的介电损耗降低了～50％，样品电滞回线饱和，表现出较优异的铁电特性。随着BaFe12O19含量的增加，复合陶瓷的磁介电系数逐渐增大，在1.8T磁场作用下，0.8BaTiO3-0.2BaFe12O19的磁介电系数达到5.3％。 进一步改进材料的复合方式，2-2型结构(1-x)BaTiO3-xBaFe12O19(x=0.05，0.08，0.10，0.12，0.15，0.20)复合陶瓷由于在BaTiO3和BaFe12O19两层界面处形成具有一定高度和宽度的界面势垒，最大程度阻止了载流子沿外电场方向的长程运动，有效抑制了材料的漏导电流，从而具有最优异的磁、电性能。当x=0.05增加到x=0.20时，样品的最大磁化强度由15.38emu/g增大到31.23emu/g(@1T magnetic field)。2-2型0.9BaTiO3-0.1B aFe12O19复合陶瓷在10kHz下的室温介电损耗为～0.3，远小于0-3型(～0.6)和3-0型0.9BaTiO3-0.1BaFe12O19(～0.45)复合陶瓷，其室温阻抗值比3-0型复合陶瓷提高了近一倍。所有样品均呈现饱和的电滞回线，表明2-2型0.9BaTiO3-0.1BaFe12O19复合陶瓷具有优异的铁电性能。在1.8T外磁场下0.8BaTiO3-0.2BaFe12O19复合陶瓷的磁介电系数可达到6.71％。 通过对比不同复合结构样品的磁、电性能，确定“应力传质作用”为BaTiO3-BaFe12O19复合陶瓷磁介电效应的主要产生机制，即:利用应力耦合作用将磁致伸缩与电致伸缩相联系，外磁场作用下磁致伸缩相产生应力变化，进而引起材料发生应变，应变通过相界面传递给压电相，导致压电相材料的介电极化发生改变。

目录

摘要

1绪论

1．1 多铁性磁电复合材料

1．1．1 研究背景

1．1．2 多铁性磁电复合材料的应用

1．1．3 组分设计

1．1．4 复合方式

1．2 磁电复合材料的磁介电效应

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 解决的关键技术问题

1．3．3 研究的关键科学问题

1．3．4 技术路线

2 BaTiO3-BaFe12O19复合陶瓷的测试与表征

2．1 致密度测量

2．2 相组成与微观结构分析

2．3 磁性能测试

2．4 介电和复阻抗特性测试

2．5 铁电性能测试

2．6 磁介电性能测试

3 BaTiO3-BaFe12O19复合陶瓷的制备与电导行为研究

3．1 实验原料与设备

3．2 微波水热法合成BaTiO3和BaFe12O19粉体

3．2．2 微波水热法合成BaFe12O19粉体

3．3 微波烧结提高BaTiO3-BaFe12O19复合陶瓷磁电性能的研究

3．4 氧空位对BaTiO3-BaFe12O19复合陶瓷磁性能及导电行为的影响

3．4．1 微观结构分析

3．4．2 磁性能分析

3．4．3 基于氧空位迁移的电导机制研究

3．5 本章小结

4 0-3型BaTiO3-BaFe12O19复合陶瓷磁电性能的研究

4．1 微观结构分析

4．2 磁性能分析

4．3 介电性能分析

4．4 本章小节

5 3-0 型BaTiO3-BaFe12O19复合陶瓷磁电性能的研究

5．1 微观结构分析

5．2 磁性能分析

5．3 复阻抗与电模量分析

5．4 高阻态电导机制对复合材料介电及铁电性能的影响

5．5 磁介电性能分析

5．6 本章小结

6层状2-2 型BaTiO3-BaFe12O19复合陶瓷的制备及性能研究

6．1 微观结构分析

6．2 磁性能分析

6．3 2-2 型结构对材料漏导电流的抑制作用

6．3．1 介电性能分析

6．3．2 复阻抗图谱分析

6．3．3 铁电性能分析

6．4 磁介电效应的机理探讨

6．5 本章小结

7结论及展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的学术成果

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