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多铁材料同时具有自发的铁电有序和铁磁有序,并且铁电和铁磁可以互相耦合,这使得多铁材料在信息存储、自旋电子学以及多功能传感器件等方面有重要的潜在应用。目前大部分材料都在极低的温度下才具有多铁性,BiFeO3(BFO,ABO3型)是为数不多的在室温以上就具有多铁性的单相多铁材料之一,BiFeO3具有较高的铁电居里温度(1103 K)和反铁磁尼尔温度(643 K),理论上较大的铁电极化强度(100μC/cm2),然而,较大的漏电流、难以合成出纯相和较弱的磁性等缺点成为限制BiFe03应用的瓶颈。
为了改善BiFeO3的性能,研究者做了大量的物理和化学修饰,其中,化学掺杂是一种行之有效的提高BiFeO3多铁性能的方法,但掺杂后的产物的晶体结构会随着掺杂量的改变而改变,晶体结构的改变必然也会导致铁电性和磁性的改变,因此研究掺杂和结构的关系是一个重要的课题。
本论文的工作主要围绕在化学掺杂BiFeO3中,掺杂量的改变引起的晶体结构和多铁性(铁电性和磁性)的变化,从化学掺杂的两个方向——元素掺杂和固溶体掺杂开展工作,取得的主要结果如下:
1、用改进的溶胶-凝胶法成功制备了纯相的Bi(1-x)DyxFe0.90Mg0.05Ti0.05O3(X=0-1)。发现B位上共掺杂的Ti4+和Mg2+可以合成出纯相的掺杂BFO,且电阻率有明显的提高。在此基础上,系统研究了稀土Dy3+的掺杂量和温度两个因素对晶体结构的影响,并绘制出了完整的相图。同时,又研究了Bi(1-x)DyxFe0.90Mg0.05Ti0.05O3(X=0-1)随着稀土Dy3+掺杂量的变化,其铁电性和磁性的变化规律,发现在相界处铁电性最好,磁性随掺杂量的增多而增强。
2、用改进的溶胶-凝胶法成功制备了纯相的(1-x)BiFeO3-x LaMnO3(X=0-1)固溶体,主要研究了掺杂量和温度两个因素造成固溶体(1-x)BiFeO3-x LaMnO3(X=0-1)的晶体结构变化,绘制了完整的相图,并在相图的指导下,研究了理论上具有多铁性的组分(三方相R3c和四方相P4mm)的铁电性和磁性随掺杂量的变化。