CN101239818A - 一种电子型铁电材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子型铁电材料及其制备方法，该电子型铁电材料是化合物Lu2Fe3O7，该化合物的单胞为层状结构，由铁氧单层、镥氧层和铁氧双层交替排列构成，铁氧双层中的铁在该化合物中以混合价态存在，并形成三角阻挫结构。该铁电材料是通过Lu2O3和Fe2O3配料混合、第一次压制成型、预烧结、第二次压制成型、烧结和快淬的工艺制备得到的，该材料在室温附近有很高的介电常数。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子型铁电材料，以及制备该材料的方法。
背景技术
铁电材料作为一类重要的功能材料，在高科技中的应用日益广泛，自从1920年人们在罗息盐中发现特异的介电性能导致“铁电性”概念的出现，到现在铁电材料的广泛应用，已经有很长的历史，期间也研究出很多新型的铁电材料，但从自发极化产生的微观机制上，可将这些材料分为原子或原子团的位移型和有序无序型两类。
随着对LuFe2O4材料的深入研究，提出了一种基于电荷有序的新型铁电机制，并将LuFe2O4材料定义为电子型铁电体。该材料自发极化的产生是由其自身结构特点决定的，LuFe2O4属于层状结构化合物，铁氧双层(W层)与镥氧层(U层)沿c方向交替堆垛，由于化合物中Fe的平均价态是+2.5价，铁氧双层(W层)中就会形成由Fe2+和Fe3+形成的三角阻挫结构，在低温下形成电荷长程有序，进而在调制矢量方向出现正负电荷中心的偏离，产生自发极化。LuFe2O4材料属于弛豫型铁电体具有很高的介电常数，但其必须在室温附近一定的温度区间内才具有这种特性，这样相对的限制该材料实际应用的可控性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种在室温附近很宽的温度区间内，都具有高介电常数的电子型铁电材料。本发明进一步的目的是提供一种制备该材料的方法。
为实现上述目的，本发明一种电子型铁电材料，该电子型铁电材料为化合物Lu2Fe3O7，该化合物的单胞为层状结构，该层状结构由铁氧单层、镥氧层和铁氧双层的交替排列构成；铁氧双层中的铁元素在该化合物中以混合价态存在，并在铁氧双层中形成三角阻挫结构。
一种制备上述电子型铁电材料的方法，具体为：
1)将Lu2O3和Fe2O3配料，使元素Lu和Fe的原子比为2∶3，混合均匀后，第一次压制成型；
2)将压制成型的样品在空气中以1100-1400℃的温度范围内烧结24-72小时；
3)将烧结后的样品研磨均匀，并第二次压制成型；
4)在二氧化碳与氢气摩尔比值为8-10的氧化还原气氛中，将第二次压制成型的样品在1100-1400℃的温度范围内烧结24-72小时；
5)降低温度，当温度降至1000℃-800℃的范围内时，将样品快速淬火。
进一步，所述样品在空气、二氧化碳与氢气混合气体中的烧结温度不同。
进一步，所述样品在空气、二氧化碳与氢气混合气体中的烧结温度均为1200℃。
进一步，所述样品在淬火前的温度为900℃。
进一步，所述样品快速淬火是通过快速将样品放入冰水混合物中进行。
本发明铁电材料Lu2Fe3O7是在保持关键层(W层)的基础上，插入一铁氧单层(V层)，在晶体的c方向上形成WUVUWUVUW结构。Lu2Fe3O7的W层中电荷有序产生自发极化，在室温附近很宽的温度区间内，具有高介电常数。
附图说明
图1为本发明铁电材料的X射线衍射图谱；
图2a为本发明铁电材料的原子结构图；
图2b为本发明铁电材料省略了氧原子的结构示意图；
图3为本发明材料的介电温谱图；
图4为本发明铁电材料介电损耗随温度变化图。
具体实施方式
实施例：
首先将Lu2O3和Fe2O3配料，使元素Lu和Fe的原子比为2∶3；混合均匀后，进行第一次压制成型；将第一次压制成型的样品在空气中以1100-1400℃的温度范围内的第一温度(具体为1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃或者1400℃)下，预烧结24-72小时(具体为24小时、48小时或72小时)；将烧结后的样品研磨均匀并第二次压制成型；在二氧化碳气体与氢气的摩尔比值为8-10范围内的任一值(具体为8、9、10)的氧化还原气氛中，将第二次压制成型的样品在1100-1400℃的温度范围内的第二温度(具体为1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃或者1400℃)下烧结24-72小时(具体为24小时、48小时或72小时)，其中氧化气体为二氧化碳气体，还原气体为氢气；然后降低温度，当温度降至1000℃-800℃温度范围内的第三温度(具体为1000℃、950℃、900℃、850℃或800℃)时，将样品快速淬火，得到如图1所示的Lu2Fe3O7化合物。
本发明中所述的氧化还原气氛是指通过调节氧化气体和还原气体的摩尔比值，来实现对样品的氧化或还原。样品快速淬火是通过快速将样品放入冰水混合物中进行的。并且上述的第一温度和第二温度可以相同，也可以不同。
从图1中可知该材料为纯净的化合物Lu2Fe3O7单一物相，该单一物相的晶体结构特点如图2a、图2b所示，化合物的单胞为层状结构，该层状结构由铁氧单层、镥氧层和铁氧双层的交替排列构成，铁氧双层中的铁元素在该化合物中以混合价态存在，并在铁氧双层中形成三角阻挫结构，特别是，镥氧层(U层)、铁氧双层(W层)和铁氧单层(V层)在晶体的c方向上形成WUVUWUVUW形式的层状结构分布。
图3、图4分别是通过上述制备方法得到的Lu2Fe3O7化合物的介电温谱图和介电损耗随温度变化图，从图中可以看到该材料在室温附近很宽的温度区间内，都具有高介电常数，损耗较小，在工业上有很大的应用潜力。
Claims (6)
1、一种电子型铁电材料，其特征在于，该电子型铁电材料为化合物Lu2Fe3O7，该化合物的单胞为层状结构，该层状结构由铁氧单层、镥氧层和铁氧双层的交替排列构成；铁氧双层中的铁元素在该化合物中以混合价态存在，并在铁氧双层中形成三角阻挫结构。
2、一种制备上述电子型铁电材料的方法，具体为：
1)将Lu2O3和Fe2O3配料，使元素Lu和Fe的原子比为2∶3，混合均匀后，第一次压制成型；
2)将压制成型的样品在空气中以1100-1400℃的温度范围内烧结24-72小时；
3)将烧结后的样品研磨均匀，并第二次压制成型；
4)在二氧化碳与氢气摩尔比值为8-10的氧化还原气氛中，将第二次压制成型的样品在1100-1400℃的温度范围内烧结24-72小时；
5)降低温度，当温度降至1000℃-800℃的范围内时，将样品快速淬火。
3、如权利要求2所述的一种制备电子型铁电材料的方法，其特征在于，所述样品在空气、二氧化碳与氢气混合气体中的烧结温度不同。
4、如权利要求2所述的一种制备电子型铁电材料的方法，其特征在于，所述样品在空气、二氧化碳与氢气混合气体中的烧结温度均为1200℃。
5、如权利要求2所述的一种制备电子型铁电材料的方法，其特征在于，所述样品在淬火前的温度为900℃。
6、如权利要求2所述的一种制备电子型铁电材料的方法，其特征在于，所述样品快速淬火是通过快速将样品放入冰水混合物中进行。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102608168A (zh) * | 2012-02-27 | 2012-07-25 | 中国科学院物理研究所 | 气敏电阻材料及其制备方法 |
| CN110734286A (zh) * | 2019-11-08 | 2020-01-31 | 华中科技大学 | 一种铁基石榴石陶瓷材料、其制备和应用 |
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2008
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