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1、http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛第38卷第2期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.38,No.22009年4月 JournalofShanghaiNormalUniversity(NaturalSciences)2009,Apr1过渡金属掺杂BaTiO3的磁性研究进展石旺舟(上海师范大学数理学院,上海200234)摘 要:钙钛矿结构氧化物BaTiO3因其优良的铁电、介电性质而显示出广泛的应用前景.介绍了过渡金属掺杂对BaTiO3晶体结构的影响,综述B
2、aTiO3基材料磁性能的研究现状.关键词:钙钛矿结构;过渡金属掺杂;磁性能中图分类号:O482.5文献标识码:A文章编号:100025137(2009)0220210205钙钛矿(ABO3)结构的钛酸钡基材料具有优良的铁电性质和高的室温介电常数(εr≈1000～2000),因而在电容器、正温度系数的电阻型电热调节器、化学传感器及压电器件等领域具有广泛的应用.此外,钛酸钡还表现出优良的热释电、压电性能和非线性光学性质,已被广泛应用于制造高密度动态随机存储器、非易失性铁电存储器、大容量微型电容器、热敏电阻、光开关、光学滤波器、光波导及光电集成器件,多年来
3、一[1～3]直受到物理、化学、材料和微电子等研究领域的重视.近年来的研究表明,通过在BaTiO3的钙钛矿结构中引入磁性离子,能够获得稀磁特性,从而使钛酸钡基材料同时具备铁电性和铁磁性,这已成为探索新型多铁性材料的重要方向之一.目前,对钛酸钡的掺杂磁性研究主要集中在B位的过渡金属替代.本文作者拟对过渡金属掺杂钛酸钡的磁性研究进展进行阐述,以期对该体系的研究现状有较为全面的认识.1 掺杂BaTiO3的晶体结构钛酸钡属于典型的ABO3型钙钛矿结构,1460℃以上结晶出的BaTiO3属于六方晶系,130～1460℃Ba22+4+TiO3为立方钙钛矿结构,如图
4、1所示.A位为Ba,处于立方晶胞的8个顶角;B位为Ti,处于立方体的2-4+[4～6]体心位置;而O处于立方体的6个面心,构成氧八面体,Ti处于氧八面体中央.图1ABO3型立方钙钛矿结构示意图在BaTiO3的B位引入过渡金属后,在一定浓度范围内钙钛矿结构类型可保持不变,但掺杂后晶体结构可能发生相应变化.以Fe掺杂为例来说明过渡金属离子的B位替代对BaTiO3晶体结构的影响一般由立方钙钛矿变成六方钙钛矿.如图2所示,六方相6H-BaTiO3的晶体结构是由6个BaO3层以立方(c)和收稿日期:2009203225作者简介:石旺舟(1963-),男,上海师
5、范大学数理学院教授,研究方向:光电子物理.http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛 第2期 石旺舟:过渡金属掺杂BaTiO3的磁性研究进展211[7～10]六方(h)密堆积的方式,按照hcchcc的顺序构建而成.Ti2原子占据共面的八面体对,而Ti1原子位于c层之间的八4+3+面体上,与Ti2八面体共角.当Ti被Fe取代后,将产生氧[11]空位,分布在O1位置上.从相邻M2位置共同的面上移走一个氧原子就会产生一对共边的五面体.图中,M1八面体:浅灰色
6、;M2八面体:黑色;O1原子:白色;O2原子:黑色.为了清楚起见,图中省略了Ba原子.底部一行的M2八面体对分别表示氧空位为0、1、2时对应的结构,从左边开始分别为共面八面体对、共边五面体对和共角四面体对.由图2可以看到,在6H-BaTiO3的晶体结构中存在两种类型的八面体:图2沿[110]俯视的6H-Ba(Ti1-xFex)O3-δM1八面体和M2八面体,其中M1八面体具有立方对称的晶体结构示意图[7]性.在低掺杂浓度下,M1八面体Ti位仍保持高的对称性.而在高掺杂浓度的样品中,由于次近邻原子等的作用,M1八面体Ti位的对称性将遭到破坏.当Fe原子
7、溶3+3+入BaTiO3晶格中取代Ti,每对应2个五面体Ti位的Fe离子或1个四面体Ti位的Fe离子就会形成一[7]个氧空位.同时也可以看出BaO3层按照立方(c)和六方(h)密堆积的顺序,以及包含O1/O2原子和M1/M2位置的层.2 掺杂BaTiO3的磁性为了充分发挥BaTiO3的优良特性,以满足在更多领域应用方面的需要,对BaTiO3的掺杂效应进行2+了广泛研究,发现在BaTiO3中掺入不同的元素会对其特性产生显著影响.在BaTiO3中掺入Sr可以降2+2+低它的相变温度;掺入Pb可以提高它的相变温度;掺入Co可以减少漏电损耗而不影响压电常数;
8、掺3+[12,13]3+入La可以使之半导体化;掺入Fe可以产生巨大的电致应变.因此,目前对钛酸钡铁电体的研
