六角铁氧体和铁酸铋基陶瓷多铁性和磁电耦合性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yufengjin
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随着科学技术的高速发展,人们对于器件的小型化和多功能性的需求日益增加,而研究同时具有多种物理性能的功能材料是解决该需求的关键。多铁材料(multiferroic materials)是一种新型的多功能材料,同时具有铁电性和磁性,并且多铁材料中的磁电耦合效应能够实现铁电性和磁性的相互调控。具有磁电耦合效应的多铁材料有望被用于制备“电写磁读”的高速存储器件以及其他自旋电子器件,具有巨大的应用前景。铁酸铋是被研究最为广泛的单相多铁材料之一,其在室温具有强的铁电性和螺旋调制的弱磁性,但是两者之间的磁电耦合性能较弱,需要进一步提高。而在六角铁氧体多铁材料中,其铁电极化是由磁结构产生,具有很强的磁电耦合效应,能够真正实现电场对磁性能的调控和磁场对电极化性能的调控,是目前磁电多铁材料的研究热点。本论文以六角铁氧体和铁酸铋基多铁陶瓷为研究对象,主要探究了铁电性能、磁性能、磁场调控铁电极化翻转性能和动态磁电耦合性能。(1)通过调节缺陷的种类和浓度实现铁酸铋-钛酸钡基陶瓷的介电性、铁电性及磁性的调控。首先分析了传统固相烧结法和淬火烧结方法的区别,研究发现淬火烧结方法能够增强介电性能和铁电性能,同时还能一定程度上提高样品的磁化强度;接着在0.70Bi FeO3-0.30Ba TixO3(0.85≤x≤1.15)体系中,通过Ti的非化学计量比调节样品中的性能,在富Ti样品中,Ti主要以杂质相的形式存在,对于结构、形貌、介电和铁电性能调节作用很小;而缺Ti样品中,当x=0.90时,陶瓷的结构从赝立方相转变为菱方相和赝立方相共存相,陶瓷的电滞回线更加饱和,陶瓷中出现了更大的内建电场,磁性能随着Ti含量的增加呈现出近乎线性增加的趋势;研究了烧结气氛的氧分压对于陶瓷性能的调节作用,氧分压越大氧缺陷浓度就越低,这有利于晶粒的生长,也会降低样品铁电相变的弥散程度,从而得到优异的铁电性能。(2)研究了Y型BaSrCo2Fe11AlO22(BSCFAO)陶瓷磁介电及磁场调控电极化连续翻转性能。Y型BSCFAO陶瓷样品中,当外磁场与样品电极面的夹角(φ)变化时,会形成不同的磁介电曲线,不同φ角的磁介电曲线的形状可以用来判断是否发生磁结构的相变。连续循环的外磁场能够连续翻转电极化,电极化强度会随着循环次数增加而呈现出指数衰减特性;对于极化条件的研究中发现,极化磁场的作用是让样品的磁结构处于横向锥形状态,诱导产生出电极化,而极化电场的作用则让诱导产生的电极化取向极化,极化电场和极化磁场两者缺一不可,只有两者共同作用时才能得到好的极化效果。(3)利用热压方法制备取向BSCFAO陶瓷来增强其磁电耦合性能。热压烧结方法制备的BSCFAO陶瓷在施加压力方向上呈现出c轴取向特性;热压取向陶瓷样品的P–H曲线中最大极化强度Pm=32.82μC/m2,剩余极化强度Pr=13.83μC/m2,相对于常压烧结的BSCFAO陶瓷,最大电极化强度提高了3倍,剩余极化强度提高了3.2倍。(4)研究了Z型Sr3Co2Fe24O41(SCFO)陶瓷室温及室温以上动态磁电耦合效应和在Sr3Co2Fe22Al2O41(SCFAO)陶瓷中利用铝掺杂提高其动态磁电耦合效应存在的最高温度。Z型SCFO陶瓷中,其横向锥形磁结构能够诱导产生电极化,其电极化方向在外磁场作用下是不发生改变的;一阶动态磁电耦合系数(α)主要在具有磁结构相变的低磁场区域有强烈响应,在磁结构相变位置附近,其磁矩矢量和对应的电极化矢量在其平衡位置最不稳定,这有利于产生强的响应,当施加磁场增大时,磁矩在平衡位置稳定性增高,α响应降低;在改变直流磁场与交流磁场的夹角时,α响应呈现出以90°为周期的异常,二价动态磁电耦合系数(β)则呈现出以60°为周期的异常。Z型SCFO陶瓷其动态磁电耦合响应能够存在的最高温度为370K。Z型SCFAO陶瓷的动态磁电耦合响应能够存在的最高温度为444 K,相对于未掺杂Al样品提高了74 K,这能够大幅度提高具有磁电耦合效应的多铁材料的应用范围。
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