A位掺杂的铁酸铋纳米粒子的制备和多铁性能的研究

摘要

多铁材料指的是材料的同一相中包含有两种以上(含两种)铁的基本性能的材料，这些铁的基本性能是指铁电性能、铁磁性能和铁弹性能。由于多铁性材料不但具备单一初级铁性体的基本性能(如铁电性、铁磁性、铁弹性)，并同时具有铁电、铁磁等多种有序共存，而且还可以通过多铁性的耦合作用而产生出单一的铁性材料所不具有的一些新的物理效应，从而大大拓宽了铁性材料的应用范围，因而成为材料研究的热点。随着科技的发展，器件的微型化及多样化，越来越迫切要求同时具备两种或两种以上功能的材料来取代单一功能的材料，以满足科技发展的需要，这就使得多铁纳米材料成为材料科学研究的热点。自然界中在室温下具有多铁性能的一种典型单相多铁材料是BiFeO3，即铁电有序(Tc=1103K)和 G型反铁磁有序(TN=643K)，但单相的制备和宏观下无磁性是此种材料的问题所在。碱土金属掺杂BiFeO3是一种十分有效的改善其磁性能的方法。同时近年来研究发现BiFeO3纳米粒子的磁性能随着晶粒尺寸的减小而增大。本论文综合以上因素，采用A位二价碱土金属、稀土金属元素掺杂BiFeO3，优化制备条件，制备出单相的BiFeO3掺杂纳米粒子，并对其晶格结构、介电性能、磁性能进行深入研究，研究内容和主要结论如下：
　　 ⑴采用以乙二醇为溶剂的溶胶凝胶法制备了二价碱土金属钡离子(Ba2+)掺杂的铁酸铋纳米粒子Bi1-BaxFeO3(x=0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30)。XRD结果分析显示随着Ba掺杂量的增加，其品格结构从菱方扭曲的钙钛矿结构转变为四方结构。这一结论与穆斯堡尔谱测试结果一致。样品的介电性能研究结果显示出，高Ba掺杂量样品的色散关系与低Ba掺杂量的色散关系不同，这暗示着样品介电性能与晶格结构存在着关联。同时还发现相比于相同掺杂量掺杂的BiFeO3陶瓷，Ba掺杂的BiFeO3纳米粒子明显的呈现出高的磁性能。
　　 ⑵为了进一步研究A位碱土金属元素的性质对铁酸铋纳米粒子多铁性能的影响，基于Ba2+掺杂的铁酸铋纳米粒子Bi1-xBaxFeO3的制备基础上，研究了碱土金属Ca2+离子、Ba2+离子共掺杂纳米粒子Bi0.8Ca0.2-xBaxFeO3(x=0.07，0.10，0.13，0.19，0.20)的晶格结构、介电性质以及磁性质。XRD结果分析显示Bi0.8Ca0.2-xBaxFeO3纳米粒予的晶体结构从正交结构(x=0.07，0.10，0.13，0.19)变为四方结构(x=0.20)。所有掺杂样品的磁性能都得到了很好的提高。在测试的外磁场下，样品的磁化强度和剩磁的变化趋势都与Khomchenko研究小组报道的二价的Ba、Sr、Ca碱土金属替代Bi3+离子掺杂BFO陶瓷的结论不一致，即掺杂离子的平均半径与掺杂的BFO纳米粒子的磁性能并不成正比关系，这种反常磁行为暗示着Ba、Ca共掺杂铁酸铋的磁性能不仅和掺杂离子的半径密切相关，还和样品的晶格结构以及平均粒径尺寸有关。
　　 ⑶为了制备出单相的掺杂Ca2+离予的铁酸铋纳米粒子，我们选择一定量的La3+掺杂在铁酸铋A位，起到稳定钙钛矿相的作用，来研究La3+、Ca2+离子共掺杂的Bi0.9-xLa0.1CaxFeO3(x=0，0.10，0.13，0.17，0.20)纳米粒子的晶格结构、介电性能及磁性能的变化。XRD结果表明，Bi0.9-xLa0.1CaxFeO3纳米粒子的尺寸大约在24-19纳米，其晶格结构随着x的增大由正交结构转为正方结构。介电性能和磁性能测试表明，La、Ca共掺杂有利于提高铁酸铋的介电性能和磁性能。所有样品都表现出一种独特的磁滞回线，即蜂腰型磁滞回线。