Mn~（4＋）掺杂对BiFeO_3陶瓷微观结构和电学性能的影响研究.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61．No．14(2012)142301Mn4+掺杂对BiFeO3陶瓷微观结构和电学性能的影响研究术张强朱小红十徐云辉肖云军高浩濒梁大云朱基亮朱建国肖定全(四川大学材料科学与工程学院，成都610064)(2Ol1年l1月4日收到；2Ol1年12月30日收到修改稿)利用传统的固相反应法制备了BiFe1-xMnO3(X=_Jo．20)陶瓷样品，研究了不同Mn+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-xMnO3陶瓷样品的钙钛矿主相均已形成

2、，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Mn添加量的增加，体系的相结构有从菱方钙钛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10Hz条件下，BiFeo．ssMno．1503(￡=1065)的￡是纯BiFeO3(￡r=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Mn+稳定性优于Fe3+，高价位Mn+进行B位替代改性BiFeO3陶瓷，能减少Bi挥发，抑制Fe抖价态波动，从而降低氧空位浓度，减小样品的电导和漏电流．关键词：Mn+掺杂，BiFe1-xMnO

3、3陶瓷，微观结构，电学性能PACS：23．20．-g，24．70．+s，32．30．Rj少高密度电路板上的器件数量，并解决感性器件和容性器件的相互干扰问题【8]．BFO的特殊性质使1引言其广泛应用于磁性和铁电器件领域，因而近年来成近年来，多铁材料引起了人们极大的兴趣，它为人们研究的热点．但是BFO在室温下具有菱形同时具有铁电有序和铁磁有序两个自由度，而且由畸变钙钛矿结构，其空间调制自旋结构抑制了BFO于两者间的磁电耦合作用，会产生一些新的效应，材料中潜在磁电效应的释放，导致材料在室温下在新型信息存储器、自旋电子器件、磁传感器、呈弱磁性[9]_

4、同时BFO陶瓷在制备过程中对温度换能器及电容．电感一体化器件等高技术领域，都的敏感性、Bi元素的大量挥发以及Fe离子的价有极其重要的应用前景[1-6】．纯相BiFeO3(简记态波动(Fe3+一Fe2+)，从而容易产生大量的氧空位，为：BFO)具有钙钛矿结构，是少数在室温下同时使BFO陶瓷漏电流增大，电阻率减小，使其铁电性具有铁电性和磁性的单相磁电多铁材料之一，属无法准确测量，这些特点都大大地限制了其应用．于R3空间点群，居里温度为830。C，反铁磁相变大量研究表明，利用过渡金属和稀土元素对的奈尔温度为380。c【7]．同时BFO作为一种典型铁

5、电陶瓷进行高价B位掺杂，可以破坏其空间调的单相多铁材料，利用它的高介电常数和高磁导率制自旋结构，减小铁电陶瓷漏电流、增大电阻率，制成高电容和大电感一体化的电子元器件，可以减从而释放宏观磁化，提高材料的磁电性能．目前已教育部新世纪优秀人才支持计划(批准号：NCET-10—0582)、教育部博士点新教师基金(批准号：20100181120021)和四川省杰出青年学术技术带头人培育计划(批准号：2011JQ002D资助的课题．十E—mail：xhzhu@scu．edu．cn⑥2o12中国物理学会ChinesePhysicalSocietyt／／wu

6、lixb．iphy．ac．c扎142301—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61，No．14(2012)142301有不少关于BFO高价离子B位掺杂的研究，而站表征了BF1-xM。O陶瓷的铁电性能关于B位Mn4+掺杂对BFO陶瓷的影响的研究却很少．Mn4+的半径为0．0605nm，略小于Fe3+3实验结果和分析讨论的半径0．0645nm，这使得Mn4+离子能很容易地进入Fe．O八面体．高价位的Mn+离子部分取3．1XRD衍射图谱分析代Fe2+或Fe3+，还能有效抑制氧空位的生成[10]．图1为不同Mn+掺杂量的BiFel一Mn03

7、另外，Mn+为3d轨道，容易与O的2p轨道发生杂系列样品的XRD图谱．参照标准x射线衍射卡化，从而增强铁电畸变．片(JCPDS)，可以从图1中看出纯相BFO陶瓷样Neaton等[11]用第一性原理计算纯BFO的2Pr品(0)和掺杂分别为5％，10％，15％，20％Mn+值可以达到90—100txC／cm2，这已经接近甚至超越的BFO陶瓷样品(分别为5，10，15，20)结晶良强铁电材料PZT的性能．Nalwa等【12J通过稀土元好，均为扭曲的钙钛矿结构．素Sm(La，Ho，Gd)掺杂可以有效地消除Bi2Fe4O9随着Mn+掺杂量的增加，BFO

8、陶瓷的(116)，等杂相的产生使其漏导减小，进一步提高BFO的(122)等晶面的主特征衍射峰逐渐变宽，衍射峰的介电和铁电特性．Wang等[13】报道了Ba+掺杂提强