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本论文选择具有钙钛矿结构的铁磁电复合材料BiFeO3作为研究Ho掺杂对其结构和电学性质影响的材料。Ho替代有效的改善了BiFeO3陶瓷的直流电阻率、介电和铁电特性,少量的掺杂可以明显改善BiFeO3样品的电极化性能。利用快速液相烧结法制备Bi1-xHoxFeO3(x=0,0.05,0.1)系列陶瓷样品。采用德国产布鲁克X射线衍射仪对样品进行结构分析,利用Agilent34401A型万用表测量了样品的电阻率随掺杂量的变化关系,利用HP4294A精密阻抗分析仪测量了样品介电特性随频率、温度、偏压的变化关系,采用RT6000铁电仪在室温下测量样品的电滞回线,并对这些样品的结构和电学性能进行了系统的研究。研究结果表明:
(1)X射线衍射研究表明:快速液相烧结法制备的BiFeO3晶体,在20=28.56-31.32°之间发现有杂相Bi2Fe4O9衍射峰的存在。Ho的掺杂没有改变BiFeO3的晶体结构,Bi1-xHoxFeO3(x≤0.1)系列陶瓷样品为扭曲的斜方六面体钙钛矿结构。掺杂微量的Ho3+可以有效消除BiFeO3样品中的BizFe4O9杂相,并获得单相的Bi0.95Ho0.05FeO3陶瓷样品;用Ho对BiFeO3进行替代时,在新相产生之前Ho的最佳替代量应少于0.1。
(2)Bi1-xHoxFeO3样品的直流电阻率随Ho的掺杂量x的增加一直减小。在x=0.1时,样品的电阻率比未掺杂时BiFeO3的电阻率降低了近2个数量级。这是因为BiFeO3陶瓷中空间电荷的浓度增加可导致畴钉扎,在电场作用下,氧空位的定向移动形成漏电流引起的。
(3)室温下,掺杂适量的Ho3+可以改善BiFeO3样品的介电性能,Ho掺杂各组分样品的介电常数εг均比未掺杂时显著提高,测量频率为40Hz时,Bi0.9Ho0.1FeO3陶瓷样品的介电常数提高了一个数量级;但是由于掺杂后样品的损耗系数增大导致掺杂后样品的介电常数频率依赖性较高,这也是今后需要考虑和解决的问题;
(4)观测到了样品的介电峰,掺杂后介电峰向低温移动并且强度显著增加,表明Ho掺杂在降低样品反铁磁奈尔温度(TN)的同时增强了材料的磁电耦合效应;
(5)掺杂后的样品介电常数随偏压变化明显并且出现了介电回滞现象,Ho掺杂有效提高了样品的剩余极化强度,改善了样品的铁电性质;
(6)室温下,测量了Bi1-xHoxFeO3样品的电滞回线,结果表明:Ho替代使得BiFeO3陶瓷样品的剩余极化值(Pr)有了大幅度的提高。在15kV/cm的外加电场下,测得纯相BiFeO3陶瓷的剩余极化值为0.00693μC/cm2,没有获得饱和的电滞回线,少量的Ho替代可以很明显的提高BiFeO3陶瓷样品的Pr值。例如,在15kV/cm的外加电场下,Ho含量为x=0.05和x=0.1的BiFeO3样品,在测量中就获得比较好的电滞回线,且测得其Pr分别为0.0437μC/cm2和0.078μC/cm2,与纯相BiFeO3相比,所有的Ho替代BiFeO3样品的Pr都有了10倍左右的提高。因此,Ho替代提高TBiFeO3陶瓷的极化性能,改善TBiFeO3的铁电性。