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单相多铁性及磁电复合材料的制备与研究

【摘要】:经历了仅十年时间,多铁性材料便从复兴发展到目前成为材料科学和凝聚态物理的前沿研究内容之一。这是由于多铁性材料表现为同时具有铁磁性、铁电性、铁弹性中的任意两种或全部特性,因此不仅在电控磁响应装置、磁调节电极化传感器、多态存储元件、电控磁随机读取存储器、高频磁电转化器和滤波器等高技术领域中具有重要的潜在应用价值,另外其还蕴含了丰富的基础物理现象及材料科学研究课题。为此,我们也将对这个较为宽广的新兴领域的一些分支开展研究。本文的研究内容及研究结果如下: 1、利用水热合成法在低温和低碱度条件下制备了亚微米级单相BiFeO_3颗粒粉体,研究表明不同反应温度、碱浓度和反应时间对于水热反应产物有着明显的影响。XPS数据分析结果表明在纯相BiFeO_3样品(反应温度170°C,时间16h,[OH~-]_(NaOH)=0.07M)中同时存在Fe~(2+)和Fe~(3+)离子。通过对其ZFC和FC磁化曲线进行测试,结果表明BiFeO_3粉体样品在290k~300k范围内表现为顺磁行为;当T290k,BiFeO_3粉体样品具有弱铁磁性。BiFeO_3粉体在室温和低温都存在非线性的磁滞回线特征,显示出不同于BiFeO_3块体陶瓷的磁化行为。 2、采用水热法成功合成了具有高各向异性的GdMn_2O_5、SmMn_2O_5纳米晶颗粒和YbMn_2O_5纳米棒(晶型均为正交结构),并且矿化剂浓度对产物的形貌和尺寸有重要影响。通过实验结果分析这些高各向异性的纳米结构是由“溶解-结晶”机理形成。从磁性测试分析结果可知,不同晶体形貌对其磁性质有很大影响。 3、系统考察在不同水热条件下Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3、BaTiO_3铁电体及CoFe_2O_4铁氧体(掺杂改性)粉体产物的物相、晶体结构及形貌等的演变规律;讨论了铁电/铁磁体纳米粉体产物的水热形成机理,并认为“溶解-再结晶”机制在其中起到主要作用;研究了水热条件下稀土Gd~(3+)掺杂对钴铁氧体材料的晶体结构、形貌及磁性质的影响。 4、利用水热合成法结合陶瓷烧结工艺,成功制备了PZT-CFO磁电复合材料。研究了烧结工艺参数对复合材料的晶体结构、组织形貌的影响;仔细研究了复合材料所具有的电性能、磁性能以及磁电耦合效应。磁电电压系数α_(ME)(dE/dH)及磁电磁化系数α_(me)(dH/dE)的测试结果表明,0.80PZT-0.20CFO磁电复合材料(1100℃烧结4h)具有较为显著的ME耦合效应,其α_(ME)(dE/dH)和α"_(me)(dH/dE)的最大值分别为226mV·cm~(-1)·Oe~(-1)和1.15×10~(-8)s/m。 5、通过水热法结合传统陶瓷烧结工艺,成功制备了BTO-CFO磁电复合材料。详细研究了不同烧结工艺对复合材料的晶体结构和组织形貌的影响;仔细研究了复合材料的电性能、磁性能以及磁电耦合效应。磁电复合材料的磁电电压系数结果表明,极化处理策略对ME耦合效应有着深刻影响,对于0.55BTO-0.45CFO磁电复合材料(1100℃烧结4h),其磁电电压系数α_(ME)(dE/dH)在频率为75KHz时达到了最大值(~49.6mV·cm~(-1)·Oe~(-1))。 6、利用溶胶-凝胶工艺和水热法成功制备出了具有“壳-核”结构的BTO-CFO纳米复合粉体,并通过陶瓷烧结工艺制备出了具有“壳-核”结构的BTO-CFO磁电复合材料。详细研究了不同烧结工艺对复合材料的晶体结构和组织形貌的影响;仔细研究了复合材料的电性能、磁性能以及磁电耦合效应。对于铁氧体含量为x=0.15、0.30和0.45的“壳-核”结构磁电复合样品(1150℃烧结4h),其磁电电压系数α_(ME)(dE/dH)在频率为80KHz时达到最大值,分别为17.1mV·cm~(-1)·Oe~(-1)、15.3mV·cm~(-1)·Oe~(-1)和14.4mV·cm~(-1)·Oe~(-1)。改进极化处理后,“壳-核”磁电复合材料(1100℃烧结4h)的压电系数明显提高,对于铁氧体含量x=0.15、0.30和0.45时,其磁电电压系数α_(ME)(dE/dH)在频率为87KHz时达到最大值,分别为31.2mV·cm~(-1)·Oe~(-1),23.7mV·cm~(-1)·Oe~(-1)和6.12mV·cm~(-1)·Oe~(-1)。“壳-核”结构0.85BTO-0.15CFO磁电复合材料(1150℃烧结4h)的磁电磁化系数α"_(me)(dH/dE)分别在11.9KHz和70KHz时达到8.59×10~(-9)s/m和6.25×10~(-9)s/m。

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