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铋系层状氧化物多铁性材料是一类由(Bi2O2)2+和类钙钛矿结构的[Am-1BmO3m+1]2-单元沿c方向周期性排布的材料,这种结构通常也被称为Aurviilius相。这种材料由于可能在室温以上同时存在铁电性和铁磁性而备受瞩目。在铋系层状氧化物中,占据类钙钛矿B位八面体中心的Ti/Fe离子非中心对称,与周围的氧离子形成强的相互作用,从而表现出其特有的铁电性和铁磁性,为实现室温以上多铁性提供了可能,有望在探索新型高密度存储器、传感器和自旋电子器件等领域发展新的途径。 本文主要以四层钙钛矿结构的Bi5Fe0.5Co0.5Ti3O15(BFCT)作为母体材料,研究了不同元素掺杂、氧空位浓度以及制备方法对材料结构和多铁性能的影响。实验以传统的固相合成法为主要制备手段,采用高温烧结来制备多铁陶瓷样品。论文首先采用一种改进的固相合成方法研究了A位掺杂元素浓度对材料结构和性能的影响,然后对稀土元素A位掺杂时不同氧空位浓度对BFCT材料性能产生的差异进行了研究,最后对比了不同制备方法导致的A位掺杂元素离子占位不同对BFCT微观结构、多铁性能等导致的差别。 论文的第一章介绍了多铁材料研究的相关背景,包括多铁材料研究的主要内容、现状以及目前的研究进展。 第二章的内容为陶瓷材料常用的制备方法和性能、结构表征手段的基本原理介绍。 第三章首先介绍了采用插入法改良的固相合成制备手段研究A位掺杂浓度对BFCT陶瓷材料结构、铁电、铁磁性能等方面的影响。分别选用0,0.25,0.5,0.75,1.0的A位La掺杂量,将Bi1-xLaxFe0.5Co0.5O3简单钙钛矿材料,掺杂进事先制备好的三层Bi4Ti3O12中烧结多铁陶瓷样品。研究表明采用将掺La的磁性单元插入铁电母体中会对材料的综合性能产生一定的影响,并且随着掺杂量的增加,样品的微观结构也逐渐发生变化。通过对比研究发现La掺杂量为0.75时获得较好的多铁综合性能。 第四章介绍采用传统固相烧结工艺制备四层铋系层钙钛矿单相多铁材料Bi4.25R0.75Fe0.5Co0.5Ti3O15(R=La,Pr,Sm,Eu,Gd,Dy)陶瓷样品,以对比研究不同稀土元素A位掺杂对单相多铁材料微观结构、铁电、铁磁等性能的影响。研究表明随着掺杂元素的离子半径的变化样品的微观结构和性能参数也发生了一定程度有规律的变化。在研究过程中发现了氧空位对样品性能可能存在影响,选取Bi425La0.75Fe0.5Co05Ti3O15(BLFCT)样品进行了气氛处理,重点研究了氧空位浓度对样品的多铁性能,尤其是在包括磁相变温度在内的磁性能方面存在的影响及变化规律。 第五章考虑到层状钙钛矿结构中掺杂离子的占位不同可能会对材料的性能产生不同的影响,实验尝试采用可能影响掺杂元素占据位置的不同制作工艺,即在3层钙钛矿铁电材料Bi4Ti3O12和Bi3.25La0.75Ti3O12中分别插入Bi0.25La0.75Fe0.5Co0.5O3和BiFe0.5Co0.5O3制备单相多铁材料Bi4.25La0.75Fe0.5Co0.5Ti3O15(分别表示为:BTO+BLFC和BLTO+BFC)陶瓷样品,并与传统固相工艺制备的Bi4.25La0.75Fe0.5Co0.5Ti3O15样品(BLFCT)进行比较分析。通过对样品的微观结构和形貌的研究发现,三种不同过程的固相工艺均可以制备出4层结构的钙钛矿相样品。样品在室温下也均表现出一定的铁电性和铁磁性,同时,三种工艺过程导致样品磁相变温度也出现了明显的变化。 第六章是对全文研究内容的总结,以及对下一步可进行研究工作的展望。