一种具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷及其制备方法。所述铁酸铋基陶瓷为A位、B位共掺杂的铁酸铋基陶瓷材料，其居里铁电转变温度T

【技术实现步骤摘要】
一种具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及电介质材料领域，具体涉及一种具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着电子元器件的小型化和集成化，这就对电子材料提出了更高的要求。基于磁电耦合的磁电存储设备(MeRAM)，可以将磁存储器与铁电存储器的优点结合，即通过磁自旋实现快速读取，同时利用极化反转进行写入，实现了存储过程中快速读取与写入。基于磁电效应的磁传感器可以实现弱磁场的探测，在航海航空、医学检测、地质勘探、信息处理等方面得到应用。此外，磁电材料在能量收集与转换、可调微波器件等领域有潜在的应用可能。BiFeO3是最著名的单相室温多铁性材料，由于其独特的物理性质和在存储器和执行器器件中的广阔应用前景而引起了人们的极大兴趣。然而，BiFeO3的大漏电流、高矫顽场和摆线型空间自旋调制结构(62nm)导致了BiFeO3的铁电性能和弱磁性能。同时，BiFeO3的磁电耦合效应较弱。在过去的几年里，越来越多的工作致力于对其耦合效应的研究。在BiFeO3单晶中观察到电场诱导的自旋触发器，证明了BiFeO3晶体中反铁磁和铁电有序之间的紧密耦合。但是，旋转摆线结构不具有宏观磁性，因此很难测量BiFeO3的电控磁性能。同时，与Ⅱ型多铁性相类似，空间调制的自旋结构诱导了铁电性。但是，BiFeO3的自旋驱动极化(0.06μC/cm2)小于本征极化，说明BiFeO3的磁控电困难。因此，BiFeO3的线性ME效应在实验中很难检测到。专利技术人于2017年9月1号，在《JournaloftheAmericanCeramicSociety》公开发表了一篇名为“FerroelectricandMagneticPropertiesin(1-x)BiFeO3-x(0.5CaTiO3-0.5SmFeO3)Ceramics”的文章，该研究通过固相反应法制备了(1-x)BiFeO3-x(0.5SmFeO3-0.5CaTiO3)体系的多铁陶瓷。专利技术人于2020年9月，在《JournalofMagnetismandMagneticMaterials》上公开发表了一篇名为“EffectoftuningA/BsubstitutionsonmultiferroiccharacteristicsofBiFeO3-basedternarysystemceramics”的文章，系统研究了A位和B位置换对BiFeO3陶瓷铁电性能和磁性能的影响，研究表明，BiFeO3的铁电居里温度TC与A位置换比例成正比，而TN的变化与B位置换量相关，即通过调节A/B位置换比例是可以实现TC与TN的调控的。但是，上述研究主要针对A/B位共掺对其电性能和磁性能的改性，并未对磁电耦合性能进行系统的研究。此外，由于BiFeO3的螺旋磁结构，其磁电性能较弱，目前的研究也很少。2011年9月，《中国陶瓷》第47卷第9期第19-21页，张强等人公开了一篇名为“Mn掺杂对BiFeO3陶瓷的电性能影响”的文章，该研究表明Mn掺杂对BFO陶瓷在两次低温烧成中能够很好地结晶并且晶粒均匀，可以显著的改善BFO的漏电特性，漏电流从由最初的10-4Amps降低到10-6Amps，降低了两个数量级，同时铁电极化测试表明Mn掺杂样品的剩余极化从20kV/cm下1.1uc/cm2提高到2.5～4.3μC/cm2。但是，其并未研究Mn离子掺杂对BiFeO3磁性及磁电性能的影响。2012年，《物理学报》第61卷第14期第1-6页，郭松林、徐小勇、施卫国公开了一篇名为“Mn4+掺杂对BiFeO3陶瓷微观结构和电学性能的影响研究”，该研究了不同Mn4+掺杂量对BiFeO3陶瓷密度、物相结构、显微形貌、介电性能和铁电性能的影响实验结果表明：所制备的BiFe1-xMnxO3陶瓷样品的钙钛矿主相均已形成具有良好的晶体结构，且在掺杂量x＝0.05附近开始出现结构相变；随着Mn4+添加量的增加体系的相结构有从菱方钙钦矿向斜方转变的趋势，且样品电容率大幅度增大，而介电损耗也略有增加；在测试频率为104Hz条件下，BiFe0.85Mn0.15O3(εr＝1065)的εr是纯BiFeO3(εr＝50.6)的22倍；掺杂后样品的铁电极化性能均有不同程度的提高，可能是由于Mn4+稳定性优千Fe3+,高价位Mn4+进行B位替代改性BiFeO3陶瓷，能减少Bi3+挥发，抑制Fe3+价态波动，从而降低氧空位浓度，减小样品的电导和漏电流。但是，Mn4+离子的掺杂对BiFeO3磁性及磁电性能的影响并没有进行研究。中国专利申请号为201110162432.9，申请公开日为2011年11月23日的专利申请文件公开了一种高居里温度铁酸铋基无铅压电陶瓷及其制备方法。该陶瓷组成通式为：(1-x-y)(BizM1-z)t(FeuM′1-u)O3–xBaTiO3–yBiMnO3，式中M为大离子半径的三价金属元素，M′为小离子半径的三价金属元素，x、y、u、t、z表示陶瓷体系中摩尔含量，其中0≤x≤1.0，0≤y≤0.1，0<z<1，0.85<t<1.2，0<u<1，x+y<1，经常规陶瓷制备方法制备而成。但是，其主要研究了压电性能，并没有讨论离子置换对其磁性能的影响。因此，为了增强BiFeO3陶瓷材料的磁电耦合性能，亟需开发一种具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷及其制备方法。
技术实现思路
1.要解决的问题针对现有BiFeO3陶瓷宏观磁性能差且磁电性能弱的缺陷，本专利技术一种具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷，通过A位、B位共掺杂，控制居里铁电转变温度TC、Néel温度TN及其差值的范围，得到磁电性能优异的铁酸铋基陶瓷。本专利技术还提供一种具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷的制备方法，其目的在于制备上述磁电性能优异的铁酸铋基陶瓷。2.技术方案为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷，所述铁酸铋基陶瓷为A位、B位共掺杂的铁酸铋基陶瓷材料，其居里铁电转变温度TC大于Néel温度TN，且TC与TN之间的差值范围为10～60℃。进一步地，所述铁酸铋基陶瓷材料的化学组成为：(0.84-x)BiFeO3-ySmFeO3-zCaTiO3-xBiMnO3，其中，0≤x≤0.07，0<y≤0.1，0<z≤1。进一步地，所述x＝0时，所述铁酸铋基陶瓷的居里铁电转变温度TC＝830-3150×(y+z)，Néel温度TN＝370-650×z，其中，TC、TN的单位均为摄氏度(℃)。进一步地，当x＝0，y＝0.06，z＝0.1时，所述铁酸铋基陶瓷的居里铁电转变温度TC＝326℃，Néel温度TN＝305℃。进一步地，所述0<x≤0.07时，TC为180～220℃。进一步地，当0<x≤0.07，y＝0.06，z＝0.1时，所述铁酸铋基陶瓷材料的化学组成为：(0.84-x)BiFeO3-0.06SmFeO3-0.1CaTiO3-xBiMnO3，其中，T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷，其特征在于：所述铁酸铋基陶瓷为A位、B位共掺杂的铁酸铋基陶瓷材料，其居里铁电转变温度T

【技术特征摘要】
1.一种具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷，其特征在于：所述铁酸铋基陶瓷为A位、B位共掺杂的铁酸铋基陶瓷材料，其居里铁电转变温度TC大于Néel温度TN，且TC与TN之间的差值范围为10～60℃。


2.根据权利要求1所述的一种具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷，其特征在于：所述铁酸铋基陶瓷材料的化学组成为(0.84-x)BiFeO3-ySmFeO3-zCaTiO3-xBiMnO3，其中，0≤x≤0.07，0<y≤0.1，0<z≤0.1。


3.根据权利要求2所述的一种具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷，其特征在于：所述x＝0时，TC＝830-3150×(y+z)，TN＝370-650×z。


4.根据权利要求2所述的一种具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷，其特征在于：所述0<x≤0.07时，TC为180～220℃。


5.根据权利要求4所述的一种具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷，其特征在于：所述x为0.03、0.05或0.07。


6.一种权利要求1～5任意一项具有优异磁电性能的铁酸铋基陶瓷的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)配料：先将原料干燥去水分，再称取原料，所述原料包括Bi2O3、Fe2O3以及掺杂元素的氧化物；
(2)一次球磨：将称取的原料加去离子水后球磨至原料充分混合均匀，其中，球磨介质为氧化锆球；
(3)干燥及过筛：将步骤(2)中一次球磨后的原料干燥去水分后进行研磨，再过120目筛，得到粒度均匀的粉料；
(4)预烧：将步骤(3)中过筛后的粉料...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘娟，王乐江，崔冰，牛苗苗，徐东，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34