專利名稱：一種多鐵材料Bi₂NiTiO₆的磁性能和鐵電性能的調(diào)控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈣鈦礦多鐵材料的磁性能和鐵電性能的調(diào)控方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于Bi系A(chǔ)BO3型鈣鈦礦多鐵性材料來說，A位的Bi離子6s2孤對(duì)電子使晶格發(fā) 生畸變，提供產(chǎn)生極化的動(dòng)力。而B位一般是單一的或者是多個(gè)能夠提供磁性的金屬離子。 B位離子之間是否有相互作用，或相互作用的類型決定于材料的是否有磁有序或磁有序的 類型。而相互作用的強(qiáng)弱則決定磁有序度存在的溫度區(qū)間。對(duì)于磁電耦合來說，由于Bi系 ABO3型鈣鈦礦多鐵性材料的鐵電性能是由于6s2孤對(duì)電子提供，而加磁場(電場)會(huì)對(duì)磁有 序(電有序)進(jìn)行調(diào)控，從而引起晶格的變化，進(jìn)而對(duì)電有序(磁有序)進(jìn)行調(diào)控，達(dá)到磁 (電)對(duì)電(磁)性能的調(diào)控。對(duì)于B位金屬離子間價(jià)態(tài)即電荷可以在離子之間轉(zhuǎn)移的體 系來說，B位離子之間電荷的轉(zhuǎn)移會(huì)影響它們之間的相互作用的類型和改變每個(gè)離子上的 電子自旋排布情況，從而決定其磁性的類型或者是復(fù)雜的混磁態(tài)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)控其電性能。 通過對(duì)多鐵材料Bi2NiTi06退火處理可以研究電子轉(zhuǎn)移對(duì)磁性和電性能的影響，深入理解 多鐵材料的相互作用機(jī)制。該機(jī)制的深入研究可以對(duì)磁電耦合材料器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工藝提 供理論指導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種通過退火處理，對(duì)多鐵材料Bi2NiTiO6磁性能和鐵電性能調(diào)控的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的多鐵材料Bi2NiTiO6磁性能和鐵電性能的調(diào)控方法，具 體為對(duì)多鐵材料Bi2NiTiO6進(jìn)行退火處理，通過控制退火溫度，實(shí)現(xiàn)Ni離子和Ti離子的價(jià) 態(tài)的變化和電子自旋排列方式的變化，來調(diào)整磁矩大小和作用形式以及鐵電性能強(qiáng)度。進(jìn)一步，所述退火溫度為150°C -550°C。進(jìn)一步，所述退火處理的時(shí)間為3-20小時(shí)。進(jìn)一步，所述退火處理是在空氣、氮?dú)?、氧氣或者惰性氣體的氣氛下進(jìn)行的。進(jìn)一步，隨著所述退火溫度的改變，所述多鐵材料Bi2NiTiO6的磁矩、電阻率和最 大極化強(qiáng)度跟隨改變。本發(fā)明的多鐵材料Bi2MTi06的磁性能和鐵電性能的調(diào)控方法，通過對(duì)多鐵材料 Bi2NiTi06退火處理可以研究電子轉(zhuǎn)移對(duì)磁性和電性能的影響，深入理解多鐵材料的相互 作用機(jī)制。


圖1為本發(fā)明Bi2NiTi06材料，通過中子測量和軟件擬合的中子圖譜；圖2為本發(fā)明Bi2NiTi06材料XRD圖譜和軟件擬合圖譜；圖3為本發(fā)明Bi2NiTi06材料通過升降溫測得的介電常數(shù)和損耗；
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圖4為本發(fā)明Bi2NiTi06材料順磁區(qū)域居里外斯擬合得到的有效磁矩以及居里外 斯溫度隨退火溫度的變化關(guān)系；圖5為本發(fā)明Bi2NiTi06材料在不同后處理后測得的磁化率隨溫度的變化；圖6為本發(fā)明Bi2NiTi06材料中電阻率隨著退火溫度變化的相應(yīng)變化；圖7為本發(fā)明Bi2NiTi06材料室溫的最大極化強(qiáng)度和矯頑場隨著不同后處理溫度 的變化。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中的單相多鐵材料為Bi2NiTiO6，該材料為單相的正交結(jié)構(gòu)？112#結(jié)構(gòu)，其 中Bi離子的6S2孤對(duì)電子是該材料呈現(xiàn)鐵電性的來源，Ni離子和Ti離子的價(jià)態(tài)變化和電 子在兩者之間的轉(zhuǎn)移影響磁性離子之間的相互作用形式和強(qiáng)度。性能可調(diào)控的多鐵材料Bi2NiTiO6，其結(jié)構(gòu)確定具體為1)將高壓合成的Bi2NiTiO6多晶陶瓷研磨成顆粒在微米級(jí)粉末，通過χ光衍射得 到衍射強(qiáng)度隨著衍射角的變化關(guān)系圖，如圖2所示；2)將高壓合成的Bi2NiTiO6多晶進(jìn)行中子衍射，得到衍射強(qiáng)度隨著衍射角的變化 關(guān)系圖，如圖1所示；3)將圖譜通過分析軟件Fullprof和GSAS進(jìn)行結(jié)構(gòu)標(biāo)定；4)最終標(biāo)定的晶體空間群為允許鐵電極化存在的非中心對(duì)稱的Pn2ia。如圖3所示，該多鐵材料Bi2NiTiO6介電性能測量發(fā)現(xiàn)在513K附近發(fā)生明顯熱滯 的一級(jí)鐵電相變。磁性測量表明在60K附近發(fā)生一個(gè)反鐵磁相變，低溫為一個(gè)反鐵磁相互 作用的自旋玻璃。通過對(duì)樣品在空氣中的后退火處理發(fā)現(xiàn)樣品對(duì)處理?xiàng)l件非常敏感。我 們分別對(duì)高壓合成Bi2NiTiO6樣品在150°C、30(TC、45(rC、55(rC退火3_20個(gè)小時(shí)，退火氣 氛分別有空氣、氧氣、氫氣、氮?dú)獾取Ｍㄟ^性能比較，發(fā)現(xiàn)性能變化對(duì)于退火氣氛和退火時(shí)間 (3-20小時(shí))并不敏感，而主要是受退火溫度影響。為了方便比對(duì)，本發(fā)明中Bi2NiTiO6樣品 退火條件分別為在空氣中150°C、300°C、45(rC、55(rC退火16個(gè)小時(shí)。退火會(huì)改變Bi2NiTiO6 陶瓷樣品中Ni和Ti離子的價(jià)態(tài)的變化以及自旋排列方式的變化。圖4和圖5給出磁化率和有效磁矩隨著退火溫度的變化關(guān)系，從圖中可以看出， 對(duì)于未退火的樣品，Bi2NiTiO6樣品以Ni2+和Ti4+為主要價(jià)態(tài)，給出的順磁有效磁矩為 2. 83 μ B ；當(dāng)退火溫度為300°C時(shí)，價(jià)態(tài)以Ni3+和Ti3+為主，此時(shí)對(duì)應(yīng)的順磁有效磁矩最大， 為4. 24 μ B ；進(jìn)一步退火，當(dāng)退火溫度為550°C時(shí)價(jià)態(tài)仍以Ni3+和Ti3+為主，但自旋排列方式 發(fā)生變化，此時(shí)對(duì)應(yīng)的有效磁矩為2. 45 μ B。而自旋排列方式的變化必然引起B(yǎng)i2NiTiO6陶 瓷樣品的電阻變化。圖6給出的是Bi2NiTiO6陶瓷樣品中電阻率隨著退火溫度變化的相應(yīng)變化。從圖 中可以看出電阻率隨著退火溫度的升高迅速下降，發(fā)生5個(gè)數(shù)量級(jí)的巨大變化。當(dāng)退火溫 度為300°C時(shí)電阻率最小約為106Ω .cm.進(jìn)一步退火電阻率向增大的方向變化。如果電阻 率的變化是由于退火產(chǎn)生氧空位單純引起的，電阻率應(yīng)該隨著退火溫度升高單調(diào)減小。但 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)卻非單調(diào)變化。因此電阻率變化和自旋排列方式的變化緊密聯(lián)系在一起。從圖7中可以看出隨著退火溫度升高鐵電最大極化強(qiáng)度也發(fā)生了 1個(gè)數(shù)量級(jí)的變 化，當(dāng)退火溫度到達(dá)300°C，最大極化強(qiáng)度達(dá)到最大，為8yC/cm2。進(jìn)一步退火最大極化強(qiáng)
4度向減小的方向變化。對(duì)應(yīng)的矯頑場隨退火溫度的變化也發(fā)生相應(yīng)的變化，這種變化對(duì)應(yīng) 著Bi2MTiO6陶瓷樣品中順磁有效磁矩的變化也就是自旋排列方式的變化。而磁性能變化 和鐵電性能的變化是一一對(duì)應(yīng)的，相互關(guān)聯(lián)在一起，在Bi2MTiO6體系中成功通過磁性能對(duì) 鐵電性能進(jìn)行調(diào)控。為了進(jìn)一步排除氧空位對(duì)于鐵電性能的影響，我們將Bi2NiTiO6陶瓷樣 品分別在氧氣中和氮?dú)庵性诓煌瑴囟?100-60(TC)退火16個(gè)小時(shí)，之后對(duì)其鐵電性進(jìn)行測 量。發(fā)現(xiàn)無論是在氧氣中還是在氮?dú)庵型嘶鸬臉悠?，相?duì)未退火的樣品其鐵電性能也得到 明顯增強(qiáng)。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)鐵電性的變化是和自旋排列方式也就是磁性的變化直接聯(lián) 系在一起。本發(fā)明的退火溫度并不局限于具體實(shí)施方式
中所列溫度，其它退火溫度下對(duì)鐵 電材料的磁性能和鐵電性能的影響在此不多做熬述。 需要指出的是根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
所做出的任何變形，均不脫離本發(fā)明的 精神以及權(quán)利要求記載的范圍。
權(quán)利要求
一種多鐵材料Bi2NiTiO6磁性能和鐵電性能的調(diào)控方法，具體為對(duì)多鐵材料Bi2NiTiO6進(jìn)行退火處理，通過控制退火溫度，實(shí)現(xiàn)Ni離子和Ti離子的價(jià)態(tài)的變化和電子自旋排列方式的變化來調(diào)整磁矩大小和作用形式以及鐵電性能強(qiáng)度。
2.如權(quán)利要求1所述的多鐵材料Bi2NiTiO6磁性能和鐵電性能的調(diào)控方式，其特征在 于，所述退火溫度為150°C -550°C。
3.如權(quán)利要求1所述的多鐵材料Bi2MTiO6磁性能和鐵電性能的調(diào)控方式，其特征在 于，所述退火處理的時(shí)間為3-20小時(shí)。
4.如權(quán)利要求1所述的多鐵材料Bi2MTiO6磁性能和鐵電性能的調(diào)控方式，其特征在 于，所述退火處理是在空氣、氮?dú)?、氧氣或者惰性氣體的氣氛下進(jìn)行的。
5.如權(quán)利要求1所述的多鐵材料Bi2MTiO6磁性能和鐵電性能的調(diào)控方式，其特征在 于，隨著所述退火溫度的改變，所述多鐵材料Bi2NiTiO6的磁矩、電阻率和最大極化強(qiáng)度跟 隨改變。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多鐵材料Bi2NiTiO6磁性能和鐵電性能的調(diào)控方法，具體為對(duì)多鐵材料Bi2NiTiO6進(jìn)行退火處理，通過控制退火溫度，實(shí)現(xiàn)Ni離子和Ti離子的價(jià)態(tài)的變化和電子自旋排列方式的變化來調(diào)整磁矩大小和作用形式以及鐵電性能強(qiáng)度。通過對(duì)多鐵材料Bi2NiTiO6退火處理可以研究電子轉(zhuǎn)移對(duì)磁性和電性能的影響，深入理解多鐵材料的相互作用機(jī)制。
文檔編號(hào)C04B35/475GK101891469SQ20101016481
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者馮少敏, 劉青清, 朱金龍, 李鳳英, 王麗娟, 靳常青 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院物理研究所