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多铁材料是一种同时具有铁电有序和铁磁(或反铁磁)有序的材料,这些性质使得多铁材料在信息存储、传感器以及自旋电子器件等方面引起了广泛关注。Bi(A-site)Fe(B-site)O3(BFO)是少数在室温下同时具有铁电有序和G型反铁磁有序的单相多铁材料之一。但是,它也存在漏导比较大、易生成杂相和剩余宏观磁性几乎为零等一些缺点,这些缺点极大地限制了它的实际应用。因此,如何提高BFO的多铁性质成为一个重要的研究课题,其中化学掺杂是一种有效提高BFO性能的方法。本论文中,对BFO的化学掺杂及其掺杂后的晶体结构、相图和多铁性质进行了一些基础研究,主要研究结果如下:
1)B位Co2+,Ti4共掺杂:采用溶胶-凝胶法合成了几乎纯相的BiFe0.9Co0.05Ti0.05O3样品。室温下BiFe0.9Co0.05Ti0.05O3样品的结构仍保持着BiFeO3的三方相(R3c)。随着温度的升高,在820℃发生相变,其结构从三方相(R3c)转变成正交相(空间群Pbnm),且相变是可逆的。此外BiFe0.9Co0.05Ti0.05O3样品在室温下具有多铁性质。
2)A位La3+、B位Co2+,Ti4+共掺杂:采用改进的溶胶-凝胶法制备了La不同掺杂量的纯相Bi1-xLaxFe0.9Co0.05Ti0.05O3(x=0～1)化合物,并系统研究了La掺杂量和温度对晶体结构的影响。室温样品的结构分析显示随着镧掺杂量的增加样品的结构从三方相(R3c,0≤5x≤0.16)转变成四方相(P4mm,0.17≤x≤0.40),再转变成正交相(Pn21a,0.41≤x≤1.0)。高温原位XRD分析显示随着温度的升高三方结构样品和四方结构样品均转变成稳定的正交相(Pbnm),并且相变温度随着镧掺杂量的增加呈显著降低的趋势,而正交相(Pn21a,0.41≤x≤1.0)为稳定相,即使加热到850℃也不发生相变。对样品铁电和铁磁性质测试结果显示所合成样品Bi1-xLaxFe0.9Co0.05Ti0.05O3(x=0～1)在室温下具有多铁性质,其非中心对称正交结构(Pn21a)的Bi0.5La0.5Fe0.9Co0.05Ti0.05O3的铁电最大饱和极化强度为0.52μC/cm2,弱的铁磁性随La掺杂量的增加而增大。
3)A位La3+、B位Ni2+,Ti4+共掺杂:采用改进的溶胶-凝胶法合成了La不同掺杂量的纯相Bi1-xLaxFe0.9Ni0.05Ti0.05O3(X=0～1)化合物,系统研究了La掺杂量和温度对晶体结构的影响,并绘制了完整的相图。此外,Bi1-xLaxFe0.9Ni0.05Ti0.05O3(X=0～1)样品在室温下具有多铁性质,其中BiFe0.9Ni0.05Ti0.05O3的铁电性质最好,最大极化强度为0.55μC/cm2。他们的反铁磁性并随La掺杂量的增加而增大。
4)A位La3+、B位Cr3+,Ti4+共掺杂:采用改进的溶胶-凝胶法成功制备了纯相Bi1-xLaxFe0.9Cr0.05Ti0.05O3(x=0.05～1)化合物,研究了La掺杂量对晶体结构的影响。室温下样品的晶体结构随着镧掺杂量的增加从三方变成四方然后正交相。另外,所合成Bi1-xLaxFe0.9Cr0.05Ti0.05O3(X=0.05～1)样品在室温下具有多铁性质。