BiFeO3纳米颗粒的溶胶凝胶法制备及掺杂改性研究

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多铁性材料是集铁电(反铁电)有序和铁磁(反铁磁)有序于一体的单相功能材料,近年来,此材料因在自旋电子学元件和磁电器件领域所展现出的潜在应用价值而受到了广泛关注。值得注意的是,在目前已知的多铁性材料之中,铁酸铋(Bi FeO3)因具有高于室温的铁电居里温度(TC1103 K)和反铁磁奈尔温度(TN643 K)而成为几乎唯一的室温单相多铁性材料,这也使其成为磁电应用领域的最佳候选材料之一。而且,除了以上所提及的应用之外,BiFeO3由于具有合适的带隙范围(2.1-3.0 eV)和稳定的化学性质还被视为一种前景良好的可见光催化剂。在本文的研究工作之中,我们采用溶胶凝胶法分别制备了Na-Ni共掺的BiFe O3纳米颗粒和La-Zn共掺的BiFeO3纳米颗粒,并且对样品的晶体结构、磁性、电学性质以及光学性质进行了系统研究。首先,在碱金属元素Na离子掺杂(替代Bi位)的基础上,选择过渡族元素Ni离子来替代Fe位,采用溶胶凝胶法制备出Bi0.97Na0.03Fe1-xNixO3(x=0,0.005,0.01,0.015)纳米颗粒。在室温下,纳米颗粒样品显示出弱铁磁性,而且存在交换偏置现象。随着Ni掺杂浓度的增加,Bi0.97Na0.03Fe1-xNixO3(x=0,0.005,0.01,0.015)样品的氧空位含量和漏电流值不断增大,而光学带隙却呈现出先减小(x=0.005)后增大(x=0.01,0.015)的趋势。为了解释光学带隙的这一反常变化现象,我们考虑到氧空位施主带与空穴受主带之间的相互作用而引入了一个电子能带模型。此外,Bi0.97Na0.03Fe1-xNixO3(x=0.01,0.015)样品还展示出阈值开关行为,为了解释这一电学效应,我们基于高浓度的载流子(如氧空位)定性地提出一个导电通道模型。然后,在稀土元素La离子掺杂(替代Bi位)的基础上,选择过渡族元素Zn离子来替代Fe位,采用已经探索成熟的溶胶凝胶法制备出Bi0.9La0.1FeO3(BLFO)和Bi0.9La0.1Fe0.99Zn0.01O3(BLFZO)纳米颗粒。通过X射线光电子能谱(XPS)的测试分析可知,Zn离子掺杂增加了氧空位和空穴的含量,从而使得BLFZO样品的漏电流亦随之明显增大。然而,随着杂质缺陷(氧空位和空穴)浓度的增加,BLFZO纳米颗粒的光学带隙却也同步变大了,为了解释这一带隙展宽行为,我们分析了Zn掺杂导致的结构对称性变化(表现为由Fe-O-Fe键角和Fe-O键各向异性所驱动)对导带和价带之带宽的影响。
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