離子摻雜鐵酸鉍的結(jié)構(gòu)和性能研究.pdf

1、多鐵材料是指同時(shí)具有兩種或兩種以上基本鐵性的材料(鐵電性、鐵磁性和鐵彈性)。多鐵材料具有鐵電有序和鐵磁有序的共存及其相互間的耦合(磁電耦合效應(yīng)),即可通過(guò)外加電場(chǎng)來(lái)控制磁極化或者通過(guò)外加磁場(chǎng)來(lái)控制電極化的。這為新一代多功能材料的設(shè)計(jì)提供了額外的調(diào)控自由度,在信息存儲(chǔ)器件,傳感器,集成電路方面有誘人的應(yīng)用前景。
　　鐵酸鉍(BiFeO3)是目前唯一的同時(shí)具有室溫鐵電性(Tc=1103 K)和反鐵磁性(TN=643 K)的材料,其高的

2、理論鐵電極化強(qiáng)度和簡(jiǎn)單的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),使之成為目前研究的熱點(diǎn)。一方面由于擺線(xiàn)周期結(jié)構(gòu)的 G型反鐵磁結(jié)構(gòu)使室溫磁性弱,另一方面由于 BiFeO3樣品的燒結(jié)窗口非常狹窄,在燒結(jié)過(guò)程中Bi3+離子易揮發(fā)和Fe3+離子價(jià)態(tài)波動(dòng)等原因使得樣品中有較大的漏電流,使形狀良好的室溫電滯回線(xiàn)不易測(cè)得,阻礙了 BiFeO3材料的實(shí)際應(yīng)用。人們嘗試了多種方法增強(qiáng)其鐵電性和鐵磁性,以期最終實(shí)現(xiàn)電和磁的相互調(diào)控。其中離子摻雜被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單有效的改善BiFeO3多鐵

3、性能的方法之一。
　　本文以鐵酸鉍為主要研究對(duì)象,通過(guò)酒石酸溶膠凝膠法制備出不同離子對(duì)鐵酸鉍的 A、B位摻雜的純相陶瓷樣品。通過(guò) XRD、Raman等測(cè)試手段對(duì)陶瓷的結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律進(jìn)行研究。通過(guò)鐵電測(cè)試和 PPMS(or VSM)等測(cè)試手段測(cè)試鐵電、鐵磁性能隨不同離子摻雜的變化,并討論結(jié)構(gòu)和性能間的關(guān)系。同時(shí)研究了鐵酸鉍多鐵材料在染料吸附方面的應(yīng)用。主要內(nèi)容如下:
　　1.用酒石酸—溶膠凝膠法制備出 A位摻 Y3+的純相的

4、 Bi1.04xYxFeO3(0≤x≤0.30)樣品。XRD和 Raman結(jié)果表明隨著 Y3+離子的摻雜濃度的增加,Bi1.04xYxFeO3的晶體結(jié)構(gòu)從菱方結(jié)構(gòu)(R3c)轉(zhuǎn)變?yōu)檎?Pn21a)結(jié)構(gòu)。鐵電測(cè)試表明 Y3+離子摻雜能有效的減小漏電流。當(dāng) Y3+摻雜含量達(dá)30％時(shí),室溫鐵磁性得到明顯增強(qiáng),飽和磁化強(qiáng)度達(dá)(0.31 emu/g)。在120 kV/cm外加電場(chǎng)下,Bi0.74Y0.30FeO3獲得了25μC/cm2的飽和電極化

5、強(qiáng)度。
　　2.為探究經(jīng)30%Ba2+摻雜后轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较嗟蔫F酸鉍樣品磁性的來(lái)源,我們通過(guò)溶膠凝膠法制備 A、B位共摻的 Bi0.74Ba0.30FeO3和 Bi0.74Ba0.30Fe0.95Ti0.05O3樣品。XRD和結(jié)構(gòu)精修結(jié)構(gòu)表明 Bi0.74Ba0.30FeO3為贗四方結(jié)構(gòu),5%的 Ti4+摻雜使晶格引入了三斜畸變。從漏電流曲線(xiàn)和磁性結(jié)果分析 Ti4+離子摻雜有效的減小了塊體的漏電流,但對(duì)磁性并無(wú)明顯的影響。相比于純相鐵

6、酸鉍(Mr=0.001 emu/g; Hc=80 Oe),Bi0.74Ba0.3FeO3的剩余極化(Mr=0.16 emu/g)和矯頑力(Hc=4.2 KOe)明顯增大。為進(jìn)一步討論增強(qiáng)的磁性原因,我們測(cè)試了磁性隨溫度變化曲線(xiàn)(M-T),曲線(xiàn)中在720K溫度附近出現(xiàn)強(qiáng)的磁性轉(zhuǎn)變,這一溫度與鐵酸鉍的磁轉(zhuǎn)變溫度643K相差甚遠(yuǎn),而與永磁體 BaFe12O19的磁轉(zhuǎn)變溫度非常接近(725 K)。經(jīng)真空退火后的磁滯回線(xiàn)出現(xiàn)雙回線(xiàn)疊加的特征。綜合

7、最后的DSC結(jié)果分析我們推斷:0.30Ba2+摻雜的鐵酸鉍樣品增強(qiáng)的鐵磁性來(lái)自于微量的雜相BaFe12O19。
　　3. BiFeO3(特別是摻雜后 BiFeO3)的磁響應(yīng)特征使其有望作為一種磁分離材料應(yīng)用于水質(zhì)凈化領(lǐng)域,因此我們初步嘗試研究了 BiFeO3和 BiFe0.95Co0.05O3在水溶液中對(duì)一種典型的染料污染物—羅丹明 B(RhB)的界面化學(xué)吸附特性以及作用機(jī)制。通過(guò)測(cè)定 XRD、Raman和PPMS,我們發(fā)現(xiàn)0.0

8、5Co3+摻雜 Fe3+位在不引入任何雜相的前提下能有效的增強(qiáng)磁性。在暗態(tài)環(huán)境下,通過(guò)批吸附實(shí)驗(yàn),我們就兩樣品對(duì)羅丹明 B的吸附動(dòng)力學(xué)、等溫吸附,熱動(dòng)力學(xué)特征以及不同 pH值條件下的飽和吸附量進(jìn)行了考察。吸附動(dòng)力學(xué)結(jié)合熱動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算結(jié)果顯示 BiFeO3和 BiFe0.95Co0.05O3對(duì)羅丹明 B吸附的吸附過(guò)程為不可逆的放熱過(guò)程,主要是物理吸附作用。等溫吸附結(jié)果表明 Co3+在 BiFeO3中的摻雜并不會(huì)明顯影響 BiFeO3對(duì)

9、RhB的飽和吸附容量,Langmuir等溫吸附模型擬合結(jié)果表明BiFeO3和BiFe0.95Co0.05O3對(duì)RhB于室溫下的飽和吸附量分別為0.185 mg·g-1和0.216 mg·g-1。通過(guò)測(cè)定不同pH值條件下BiFe0.95Co0.05O3對(duì)羅丹明 B的飽和吸附量,提出了酸性和堿性條件下可能的吸附機(jī)理。盡管相比于 BiFeO3, BiFe0.95Co0.05O3的吸附速率和飽和吸附量無(wú)明顯改變,但增強(qiáng)的磁性能使其在吸附劑磁分離