多铁性BaTiO3-BaFe12O19基复合陶瓷的磁电性能研究

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复合多铁性材料一般是把两种材料(铁电材料和铁磁材料)复合在一起,通过应变实现磁和电的耦合。在0-3型结构的铁电/铁磁复合体系中,由于铁磁相有相对较低的电阻率,在外加电场作用下,容易在界面处聚集大量电荷,并且会沿铁磁体形成的导电通路,产生漏导,使多铁性材料的介电、铁电性能恶化。如何提高铁磁相含量而不显著降低铁电性或者失去铁电性,成为阻碍多铁性磁电复合材料发展的瓶颈问题。为解决这一问题,本论文通过微波水热法和微波烧结法制备BaTiO3-BaFe12O19体系0-3型结构多铁性复合陶瓷,探讨导致M型BaFe12O19铁氧体电阻率较低的原因,并通过在BaFe12O19铁磁相中A位和B位掺杂离子,以及调整铁电相和铁磁相两相复合比例,获得优良磁电性能的多铁性复合陶瓷。首先,通过把BaFe12O19相与Bi2Fe4O9相复合,改善多铁性Bi2Fe4O9相的铁磁性能,制备Bi2Fe4O9-BaFe12O19体系复合陶瓷,并探讨电阻率对多铁性复合陶瓷磁电性能的影响。介电和阻抗测试结果表明,复合陶瓷的晶粒和晶界的导电机制分别来源于一价氧空位(1?和二价氧空位(1??的电离。磁滞回线测试结果表明,不同组分复合陶瓷的矩形度Mr/Ms都大于0.5。由于两相晶粒间强烈磁交换作用,复合陶瓷的矩形度大于纯相BaFe12O19的四方率,在磁记录等材料中具有很好的应用前景。通过在BaFe12O19相A位掺杂Sr2+,制备BaTi O3-Ba1-xSrxFe12O19体系复合陶瓷。结果表明,通过掺杂Sr2+可以有效提高复合陶瓷的电阻率,最佳为x=0.6。介电损耗的两个弛豫峰,分别来源于类徳拜型弛豫和电子在Fe2+/Fe3+之间跳跃。激活能计算结果表明,电子在Fe2+和Fe3+之间的跳跃是一种直接跳跃行为。当x=0.6时,电滞回线的饱和极化强度达到最大值。所有组分的磁滞回线呈现一种“束腰状”回线。一方面,是由于Ba1-xSrxFe12O19相晶粒尺寸都大于单畴临界尺寸,由此产生更大的矫顽场。当Sr2+掺杂后,增强这一效应;另一方面,在外加磁场的作用下,非磁性相BaTiO3晶粒的存在抑制磁畴的转动和畴壁的移动,破坏磁通路。通过在BaFe12O19相B位掺杂Mn2+,制备BaTiO3-BaFe12-xMnxO19复合陶瓷。结果表明,通过掺杂Mn2+,可以有效控制产生电导的Verwey Hopping Mechanism机制,降低Fe3+变价产生的Fe2+含量,电阻率提高两个数量级。当x=0.6时,电滞回线的饱和极化强度达到最大值。磁滞回线测试结果表明,所有的磁滞回线呈现典型的铁磁行为。通过掺杂Mn2+后,多铁性复合陶瓷在保持优良铁磁性的同时,其电阻率得到提高,测得饱和的电滞回线。通过调整铁电/铁磁两相比例,优化多铁性复合陶瓷的磁电性能,制备(1-x)BaTi O3-xBaFe12O19复合陶瓷。随着BaFe12O19相含量的降低,复合陶瓷的电导率急剧下降,降低3个数量级。一方面,是由于对复合陶瓷整体电导率大小起决定作用的BaFe12O19相(低电阻率相)含量降低;另一方面,是由于BaFe12O19相(低电阻率相)连接形成导电通路(“岛链”)的概率逐渐降低,被BaTiO3相(高电阻率相)完全包围的概率增加,形成“岛”状结构,整体提高复合陶瓷电阻率。电滞回线测试结果表明,随着BaFe12O19相逐渐降低,漏导电流也逐渐减小,损耗降低,电滞回线逐渐由“胖”变“瘦”,趋于饱和,击穿场强逐渐增大。对于x=0.01样品,在7.5 kV/mm的场强下,饱和极化强度达到40μC/cm2。
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