CN103936408A - 一种具有室温多铁性钡、铬共掺铁酸铋陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有室温多铁性钡、铬共掺铁酸铋陶瓷及其制备方法，属于材料科学领域。陶瓷材料的化学分子式为：Bi_1-xBa_xFe_1-yCr_yO₃,0＜x≤0.2，0＜y≤0.1。将原料BaCO₃，Bi₂O₃，Cr₂O₃和Fe₂O₃按照化学计量比进行混合、球磨，烘干后800～840℃煅烧2个小时；对粉末再次球磨，烘干后加入聚乙烯醇溶液，充分研磨后利用压片机在472MPa压力下压成片状；在560℃下排胶2h，890-920℃下煅烧2小时成瓷。本发明制备的多铁陶瓷在室温下具有优异的铁电特性及铁磁特性。

Description

一种具有室温多铁性钡、铬共掺铁酸铋陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于材料科学领域，尤其是涉及一种在室温下同时具备优异铁电、铁磁性的铋、铁位共掺铁酸铋基陶瓷及其制备工艺。

背景技术

多铁性磁电材料是指同时具有铁电（反铁电）、铁磁（反铁磁）性能的一类材料。这类材料中电极化强度和磁极化强度耦合所产生的磁电耦合效应使得多铁性材料在传感器、存储器、控制器领域具有很大的应用前景。

铁酸铋（BiFeO₃）因其具有室温多铁性（铁电居里温度为1103K，反铁磁奈尔温度为643K），为发展基于铁电-磁性集成效应的新型信息存储处理以及磁电器件提供了巨大的应用可能性。

纯的铁酸铋不易合成，且铁酸铋的自旋螺旋反铁磁周期性结构使得整体的磁矩相互抵消导致铁酸铋在室温下磁性较弱，因而铁酸铋宏观上几乎不显示磁性。另外由于铁离子的变价引起的氧空位和铋原子的挥发引起的铋空位导致的漏电流使得铁酸铋在实际器件应用中受到阻碍。

相关文献调研说明掺杂可以作为有效提高铁酸铋材料铁磁性，减小漏电流的手段被用来制备室温多铁性的铁酸铋基多铁性材料。[Appl.Phys.Lett.88,212907(2006)]结果表明钡的掺入可以有效的提高材料的铁磁性，[J.Phys.D:Appl.Phys.40(2007)7799–7803]结果表明铬的掺入可以有效地改善材料的铁电性。到目前为止还没有文献报道过有关钡、铬共掺的陶瓷的制备，而从理论上讲两者的共掺可以有效地同时提高材料的铁磁性和铁电性。从测试的结果也证明了我们的推断，符合我们的设想。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有优异室温多铁性，介电常数稳定，介电损耗低，漏电流密度小的钡、铬共掺铁酸铋陶瓷及其制备方法。

本发明的一种具有室温多铁性钡、铬共掺铁酸铋陶瓷，其特征在于，所述的钡、铬共掺铁酸铋陶瓷的化学分子式为：Bi_1-xBa_xFe_1-yCr_yO₃，其中0＜x≤0.2，0＜y≤0.1，优选0.1≤x≤0.2，0.05≤y≤0.1，更优选x=0.2，y=0.1组分。

上述一种具有室温多铁性钡、铬共掺铁酸铋陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤；

（1）将原料Bi₂O₃、BaCO₃、Cr₂O₃和Fe₂O₃，按照Bi_1-xBa_xFe_1-yCr_yO₃元素化学摩尔计量比进行配料；

（2）将步骤（1）中的混合料进行球磨，采用聚四氟乙烯球磨罐、玛瑙球、助磨剂为无水乙醇，球磨时间为12h，转速为400r/min；

（3）将步骤（2）中得到的浆料在100℃下烘干，烘干时间为6h，将获得的粉末在研钵中稍许研磨后在800-840℃煅烧2h；

（4）将步骤（3）获得的煅烧粉末再次采用步骤（2）的条件球磨，烘干后加入聚乙烯醇水溶液研磨、过筛，利用压片机在472MPa压力下压成片状；

（5）将步骤（4）获得的片体在560℃下排胶2h，最后在890-920℃下烧结成瓷。

上述聚乙烯醇水溶液质量分数为5%。

本发明优选组分制备的多铁性陶瓷在室温下具有优异的铁电、铁磁与介电特性，且漏电流密度很小。在-2T-2T磁场中测得材料的剩余磁化强度为（2Mr=1.0emu/g），较之单掺钡提高了1倍。矫顽场为（2Hc=5030Oe），比单掺钡降低了大约1000Oe。介电常数随频率变化稳定在38，介电损耗随频率变化稳定在0.04，较之单掺钡分别下降了93.41%和96.2%，在10KV/cm电场强度下样品的电阻率为1.83*10⁹Ω/cm。介电和电阻率值说明铬的掺入使得样品内部氧空位减少，接下来在100KV/cm电场下测得最大剩余极化值为（2Pr=1.9μC/cm²），比单掺钡提高了8.5倍，表明材料在室温下同时具有优异的铁电、介电和铁磁性能。

由于BiFeO₃具有G-型反铁磁结构，通过掺杂碱土金属Ba和过渡金属Cr破坏其反铁磁结构，并在内部形成Fe³⁺-O-Cr³⁺铁磁性相互作用，增强铁磁性，其中碱金属元素钡对于铋元素的取代抑制了铁酸铋本身的自旋螺旋反铁磁结构增强了磁性。过渡元素铬对于铁元素的取代产生了Fe³⁺-o-Cr³⁺的铁磁性的交互作用，同时会形成比[FeO₆]稳定的[CrO₆]八面体结构，稳定了晶体结构，减少了氧空位，使得磁性和铁电性会同时得到提高。所以过渡金属和碱金属元素的共取代为同时提高铁磁性和铁电性提供了可能。

附图说明

图1为本发明共掺的铁酸铋的XRD图谱；

图2为本发明制备的共掺的铁酸铋的磁滞回线；

图3为本发明制备的共掺的铁酸铋的电滞回线；

图4为本发明制备的共掺的铁酸铋的介电损耗-频率图；

图5为本发明制备的共掺的铁酸铋的介电常数-频率图；

图6为本发明制备的共掺的铁酸铋的漏电流密度图；

具体实施方式

本发明制备的钡、铬共掺的铁酸铋陶瓷具有优异的铁电和铁磁特性，在微电子器件领域具有广阔的应用前景。

实施例1

（1）将原料Bi₂O₃、BaCO₃、和Fe₂O₃以化学计量比为组成为Bi_0.8Ba_0.2FeO₃（BBFO）配料，以无水乙醇和玛瑙球为助磨剂和球磨介质，以转速为400r/min，球磨12h。烘干后在800℃下煅烧2h，取出后掺入质量分数为5%的聚乙烯醇溶液，在472Mpa压力下压成直径为11.5mm的圆片，随后在560℃下排胶2h，最后在920℃烧结成瓷。

（2）采用步骤（1）制成的钡、铬共掺的铁酸铋陶瓷的XRD图（见图1），磁滞回线（见图2），电滞回线（见图3），损耗谱图（见图4），介频谱图（见图5），漏电流密度图（见图6）。

实例2

（1）将原料Bi₂O₃、BaCO₃、Cr₂O₃和Fe₂O₃以化学计量比为组成为Bi_0.8Ba_0.2Fe_0.95Cr_0.05O₃(BBFC1)配料，以无水乙醇和玛瑙球为助磨剂和球磨介质，以转速为400r/min,球磨12h。烘干后在840℃下煅烧2h，取出后掺入质量分数为5%的聚乙烯醇溶液，在472Mpa压力下压成直径为11.5mm的圆片，随后在560℃下排胶2h，最后在890℃烧结成瓷，其陶瓷靶材的XRD图谱（见图1）完全符合BiFeO3PDF71-2494衍射标准谱，说明所得物质没有杂相生成，得到了Bi_0.8Ba_0.2Fe_0.95Cr_0.05O₃相。

（2）采用步骤（1）制成的钡、铬共掺的铁酸铋陶瓷Bi_0.8Ba_0.2Fe_0.95Cr_0.05O₃的磁滞回线（见图2），电滞回线（见图3），损耗谱图（见图4），介频谱图（见图5），漏电流密度图（见图6）。

实例3

（1）将原料Bi₂O₃、BaCO₃、Cr₂O₃和Fe₂O₃以化学计量比为组成为Bi_0.8Ba_0.2Fe_0.9Cr_0.1O₃(BBFC2)配料，以无水乙醇和玛瑙球为助磨剂和球磨介质，以转速为400r/min,球磨12h。烘干后在840℃下煅烧2h，取出后掺入质量分数为5%的聚乙烯醇溶液，在472Mpa压力下压成直径为11.5mm的圆片，随后在560℃下排胶2h，最后在910℃烧结成瓷，其陶瓷靶材的XRD图谱（见图1）完全符合BiFeO3PDF71-2494衍射标准谱，说明所得物质没有杂相生成，得到了Bi_0.8Ba_0.2Fe_0.9Cr_0.1O₃相。

（2）采用步骤（1）制成的钡、铬共掺的铁酸铋陶瓷Bi_0.8Ba_0.2Fe_0.9Cr_0.1O₃的磁滞回线（见图2），电滞回线（见图3），损耗谱图（见图4），介频谱图（见图5），漏电流密度图（见图6）。

Claims (5)

1.一种具有室温多铁性钡、铬共掺铁酸铋陶瓷，其特征在于，所述的钡、铬共掺铁酸铋陶瓷的化学分子式为：Bi_1-xBa_xFe_1-yCr_yO₃，其中0＜x≤0.2，0＜y≤0.1。

2.按照权利要求1的一种具有室温多铁性钡、铬共掺铁酸铋陶瓷，其特征在于，0.1≤x≤0.2，0.05≤y≤0.1。

3.按照权利要求1的一种具有室温多铁性钡、铬共掺铁酸铋陶瓷，其特征在于，x=0.2，y=0.1组分。

4.制备权利要求1的一种具有室温多铁性钡、铬共掺铁酸铋陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将原料Bi₂O₃、BaCO₃、Cr₂O₃和Fe₂O₃，按照Bi_1-xBa_xFe_1-yCr_yO₃元素化学摩尔计量比进行配料；

（2）将步骤（1）中的混合料进行球磨，采用聚四氟乙烯球磨罐、玛瑙球、助磨剂为无水乙醇，球磨时间为12h，转速为400r/min；

（3）将步骤（2）中得到的浆料在100℃下烘干，烘干时间为6h，将获得的粉末在研钵中稍许研磨后在800-840℃煅烧2h；

（4）将步骤（3）获得的煅烧粉末再次采用步骤（2）的条件球磨，烘干后加入聚乙烯醇水溶液研磨、过筛，利用压片机在472MPa压力下压成片状；

（5）将步骤（4）获得的片体在560℃下排胶2h，最后在890-920℃下烧结成瓷。

5.按照权利要求4的方法，其特征在于，聚乙烯醇水溶液质量分数为5%。