稀土Tb掺杂BiFeO3材料的结构与磁性能研究

摘要

多铁性材料同时存在铁电性和铁磁性,在信息存储、自旋电子器件及光电传感器等方面具有广泛的应用前景。作为目前唯一在室温下同时具有铁电性和铁磁性的单相多铁性材料,BiFeO3受到了广泛关注。制备过程中,由于杂相的存在以及特殊的磁结构,使其磁性能较弱,严重影响其应用与发展。本论文通过不同的方法合成具有钙钛矿结构的铁酸铋(BiFeO3)材料,采用 X射线衍射仪(XRD)、热分析仪(DSC和 TG)、扫描电子显微镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)、紫外吸收光谱仪(UV-Vis)、傅立叶红外光谱仪(FTIR)等对铁酸铋(BiFeO3)材料的相结构、形貌、磁性能、光吸收性能等进行表征,对影响铁酸铋(BiFeO3)材料性能的因素进行了探究。通过稀土离子 Tb3+对铁酸铋(BiFeO3)材料的掺杂改性,提高其磁性能,并对稀土离子Tb3+对磁性能的影响机理进行了研究与探讨。本论文的研究成果如下:
　　(1)通过控制水热温度与矿化剂的浓度,在KOH浓度为6 mol/L、水热反应6 h、水热温度高于200℃时可制备出菱面钙钛矿结构的BiFeO3粉体。KOH浓度、水热温度在 BiFeO3粉体合成中起重要作用。水热反应合成的 BiFeO3粉体具有弱铁磁性。此外, BiFeO3粉体的磁性随着水热温度的提高而逐渐减弱。
　　(2)采用溶胶凝胶法,在热处理温度为550℃时能合成菱面钙钛矿结构BiFeO3粉体。纳米粉体粒径约为80-120 nm,且能响应可见光,光学禁带宽度约为2.19 eV。在室温下BiFeO3纳米粉体呈现弱铁磁性。BiFeO3粉体的磁性随着粉体晶粒的尺寸的减小而增强。此外, BiFeO3粉体呈现一定的程度的交换偏置现象。
　　(3)通过溶胶凝胶法热处理温度为550℃时,合成了Bi1-xTbxFeO3(x=0,0.03,0.05,0.08,0.1)粉体。Tb3+完全取代BiFeO3中Bi3+的位置,且随Tb3+的增加,相结构由扭曲的菱方畸变的钙钛矿结构转变成的四方钙钛矿结构。结构的变化导致了 Bi1-xTbxFeO3粉体的磁和光学性能的变化。不同 Tb3+掺杂浓度可以调节BiFeO3对可见光的响应范围,BiFeO3的禁带宽度随掺杂浓度的提高而减小。Bi1-xTbxFeO3粉体磁性能随Tb3+的掺杂有显著的提高,存在交换偏置现象。
　　(4)在溶胶凝胶法的基础上,通过 Bi气氛烧结,利用稀硝酸清洗合成出了Bi1-xTbxFeO3陶瓷。稀硝酸的处理能有效抑制 BiFeO3陶瓷中杂相的产生。随着Tb3+掺杂浓度的提高,陶瓷逐渐由扭曲的菱方畸变的钙钛矿结构转变成的四方钙钛矿结构,陶瓷的晶粒尺寸逐渐减小且致密性提高。BiFeO3陶瓷样品的磁性能Tb3+掺杂浓度的提高有较大的提高。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 材料的多铁性（铁电性与磁性）

1.3 单相多铁性材料BiFeO3结构及其特性

1.4 选题的意义与研究的内容

第二章 实验过程

2.1 实验原料及仪器

2.2 实验过程

2.3 样品的表征与测试

第三章 水热法合成铁酸铋(BiFeO3)粉体及其相结构、磁性能

3.1 引言

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 BiFeO3纳米材料的相结构及磁性能

4.1 引言

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 Tb掺杂BiFeO3材料的相结构、磁性和光学性能

5.1 引言

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

第六章 Tb掺杂BiFeO3陶瓷的相结构、显微结构与磁性能研究

6.1 引言

6.2 结果与讨论

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文主要研究结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

作者简历