过渡金属（M=Fe，Co，Ni，Cu）掺杂的钛酸铅铁磁电体和氢氧化镧纳米线的水热合成及其性能的研究

摘要

铁磁电材料是指同时具有铁电性和铁磁性的一类材料，利用其铁磁和铁电的耦合作用，可以实现所制备器件的多参数协同控制，受到越来越多的材料研究工作者的重视。但是，由于铁电和铁磁所对应的物理、结构和电学性能的不匹配性，使得铁磁电材料在自然界中和实验室中都非常的稀少。参考稀磁半导体(DMSs)铁磁性的产生研究报道，我们提出了一个产生铁磁性的可行方法，即在制备铁电材料的过程中，掺入过渡金属元素，使过渡金属固溶在原铁电材料相中，出现铁磁铁电性共存于一个相。本论文通过在反应物料中引入铁、钴等过渡金属离子，实现了过渡金属离子掺杂钛酸铅铁磁电体的水热合成，研究了过渡金属掺杂钛酸铅粉体的取向聚集机制和铁磁性产生的机理。另外，本论文采用水热方法成功实现了氢氧化镧纳米线的合成，并研究了矿化剂KOH、反应温度等因素对氢氧化镧纳米线合成的影响。 本研究的主要工作和取得的主要成果如下： 1.以钛酸四丁酯、硝酸铅、硝酸铁为原料，KOH为矿化剂，在PEG的修饰作用下水热合成了同时具有铁磁性和铁电性的Fe掺杂钛酸铅铁磁电体粉体。 2.研究了铁掺杂钛酸铅粉体的铁磁性产生机理。三价铁离子在钛酸铅四方相晶格中取代了四价钛离子，氧空位会自发产生来达到电平衡状态。通过铁离子的一个电子和氧空位的交互作用，导致铁掺杂钛酸铅随铁掺杂量的增加由抗磁体向铁磁体和顺磁体转变。铁掺杂量为0.5～1mol％时，所合成的铁掺杂钛酸铅具有典型的铁磁性特征，为多铁的铁磁电体。超过2％时，主要表现为顺磁性铁电体。 3.研究了高分子修饰剂PEG对铁掺杂钛酸铅取向聚集和铁磁性的影响。PEG在颗粒表面的吸附弛豫作用使得合成的粉体颗粒在聚集过程中可以得到充分的调整，在铁掺杂产生的磁性能作用下，钛酸铅颗粒取向聚集，SAED表现出单晶的衍射花样。由于颗粒的取向聚集作用，所合成的钛酸铅粉体表现出更强的磁性能。 4.水热合成铁掺杂钛酸铅的铁和钛是由共沉淀制备的铁、钛羟基氧化物引入的。研究了不同沉淀剂氨水、KOH对合成的铁掺杂钛酸铅粉体取向聚集和磁学性能的影响。发现强碱KOH作为沉淀剂制备的铁掺杂钛酸铅粉体曲线聚集更加紧密，相应的具有更高的饱和磁矩。 5.利用水热法合成了Co，Ni，Cu掺杂的钛酸铅，研究了不同过渡金属离子掺杂对合成的掺杂钛酸铅粉体的形貌和磁性能的影响。发现Co，Ni掺杂得到的钛酸铅颗粒具有一定的取向聚集程度，其中Co掺杂钛酸铅粉体具有微弱的铁磁成分；Cu掺杂钛酸铅几乎无取向聚集现象出现。 6.以硝酸镧为原料，氢氧化钾作为矿化剂，水热合成了六方相氢氧化镧La(OH)<,3>纳米线，其直径小于10nm，长度达几十纳米至几个微米，生长方向垂直于c轴，为单晶纳米线。依据晶体生长理论和能量最低原理，平衡状态下晶体生长基元将优先沉积于晶体表面能相对较大的刻面(100)或(010)降低晶体表面能，导致氢氧化镧沿[100]或[010]晶向生长。同时，研究了矿化剂KOH、反应温度等因素对氢氧化镧纳米线合成的影响。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪言

1.1研究背景

1.2研究思路

1.3研究内容

参考文献

第二章文献综述

2.1铁磁电材料简介

2.1.1铁磁电材料的形成条件

2.1.2多铁材料的晶体结构类型

2.1.3多铁性机制

2.1.4铁磁电体的最新实验进展

2.2钛酸铅的结构、性质与制备

2.2.1钛酸铅的晶体结构

2.2.2钛酸铅的性质

2.2.3钛酸铅的制备方法

2.3钛酸铅自组装现象的研究进展

2.3.1平行排列的PbTiO3纳米线自组装

2.3.2多刺球状的PbTiO3纳米颗粒自组装

2.4纳米线的性质、制备和生长机制

2.4.1纳米线的特性

2.4.2纳米线的制备方法

2.4.3纳米线的生长机制

参考文献

第三章实验方法与样品制备

3.1实验原理与方法

3.1.1水热法原理

3.1.2以共沉淀的形式引入过渡金属元素

3.1.3 PEG对颗粒的表面修饰作用

3.2实验样品制备

3.2.1实验原料

3.2.2实验设备与仪器

3.2.3过渡金属掺杂钛酸铅的制备

3.2.4氢氧化镧纳米线的制备

3.3测试方法

3.3.1 X射线衍射

3.3.2透射电子显微镜

3.3.3扫描电子显微镜

3.3.4傅里叶变换红外光谱仪

3.3.5磁学测量系统

3.3.6热分析

第四章Fe掺杂钛酸铅的制备、表征及其磁学性能

4.1 Fe掺杂钛酸铅的表征

4.2 Fe掺杂钛酸铅的磁学性能表征

4.3 Fe掺杂钛酸铅磁学性能产生的机理分析

4.4 PEG对Fe掺杂钛酸铅颗粒取向聚集和铁磁性的影响

4.4.1 PEG分子量的影响

4.4.2 PEG用量的影响

4.4.3 PEG对Fe掺杂钛酸铅取向聚集和铁磁性影响的机理分析

4.5矿化剂KOH浓度对Fe掺杂钛酸铅颗粒尺寸的影响

4.6不同沉淀剂制备的前驱体对取向聚集和磁学性能的影响

4.6.1不同沉淀剂制备下的Fe掺杂钛酸铅的表征

4.6.2不同沉淀剂制备下的Fe掺杂钛酸铅的磁学性能表征

4.6.3不同沉淀剂制备的前驱体影响取向聚集和磁学性能的机理分析

4.7小结

参考文献

第五章Co，Ni，Cu掺杂钛酸铅的制备、表征及其磁学性能

5.1 Co掺杂钛酸铅的制备与表征

5.1.1不同沉淀剂制备下的Co掺杂钛酸铅的表征

5.1.2 Co掺杂量对Co掺杂钛酸铅颗粒取向聚集的影响

5.2 Ni掺杂钛酸铅的制备与表征

5.2.1不同沉淀剂制备下的Ni掺杂钛酸铅的表征

5.2.2 Ni掺杂量对Ni掺杂钛酸铅颗粒取向聚集的影响

5.3 Cu掺杂钛酸铅的制备与表征

5.3.1不同沉淀剂制备下的Cu掺杂钛酸铅的表征

5.3.2 Cu掺杂量对Cu掺杂钛酸铅颗粒取向聚集的影响

5.4 Co，Ni掺杂钛酸铅的磁学性能表征

5.5 Co和Cu共掺钛酸铅的形貌与磁学性能

5.6小结

参考文献

第六章氢氧化镧的水热合成及其表征

6.1氢氧化镧的水热合成与影响参数

6.1.1氢氧化镧的水热合成及其表征

6.1.2反应物料硝酸镧对水热合成氢氧化镧形貌的影响

6.1.3矿化剂KOH对水热合成氢氧化镧形貌的影响

6.1.4温度对水热合成氢氧化镧形貌的影响

6.1.5反应时间对水热合成氢氧化镧形貌的影响

6.2水热合成氢氧化镧的生长机理分析及反应参数的影响研究

6.3小结

参考文献

第七章结论

致谢

附录:攻读硕士期间发表和完成的论文