一種具有室溫多鐵性鋇、鉻共摻鐵酸鉍陶瓷及其制備方法
【專利摘要】一種具有室溫多鐵性鋇、鉻共摻鐵酸鉍陶瓷及其制備方法，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。陶瓷材料的化學(xué)分子式為：Bi1-xBaxFe1-yCryO3,0＜x≤0.2，0＜y≤0.1。將原料BaCO3，Bi2O3，Cr2O3和Fe2O3按照化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行混合、球磨，烘干后800～840℃煅燒2個(gè)小時(shí)；對(duì)粉末再次球磨，烘干后加入聚乙烯醇溶液，充分研磨后利用壓片機(jī)在472MPa壓力下壓成片狀；在560℃下排膠2h，890-920℃下煅燒2小時(shí)成瓷。本發(fā)明制備的多鐵陶瓷在室溫下具有優(yōu)異的鐵電特性及鐵磁特性。
【專利說明】一種具有室溫多鐵性鋇、鉻共摻鐵酸鉍陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域，尤其是涉及一種在室溫下同時(shí)具備優(yōu)異鐵電、鐵磁性的鉍、鐵位共摻鐵酸鉍基陶瓷及其制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]多鐵性磁電材料是指同時(shí)具有鐵電(反鐵電)、鐵磁(反鐵磁)性能的一類材料。這類材料中電極化強(qiáng)度和磁極化強(qiáng)度耦合所產(chǎn)生的磁電耦合效應(yīng)使得多鐵性材料在傳感器、存儲(chǔ)器、控制器 領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。
[0003]鐵酸鉍(BiFeO3)因其具有室溫多鐵性(鐵電居里溫度為1103K，反鐵磁奈爾溫度為643K)，為發(fā)展基于鐵電-磁性集成效應(yīng)的新型信息存儲(chǔ)處理以及磁電器件提供了巨大的應(yīng)用可能性。
[0004]純的鐵酸鉍不易合成，且鐵酸鉍的自旋螺旋反鐵磁周期性結(jié)構(gòu)使得整體的磁矩相互抵消導(dǎo)致鐵酸鉍在室溫下磁性較弱，因而鐵酸鉍宏觀上幾乎不顯示磁性。另外由于鐵離子的變價(jià)引起的氧空位和鉍原子的揮發(fā)引起的鉍空位導(dǎo)致的漏電流使得鐵酸鉍在實(shí)際器件應(yīng)用中受到阻礙。
[0005]相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研說明摻雜可以作為有效提高鐵酸鉍材料鐵磁性，減小漏電流的手段被用來制備室溫多鐵性的鐵酸鉍基多鐵性材料。[Appl.Phys.Lett.88，212907 (2006)]結(jié)果表明鋇的摻入可以有效的提高材料的鐵磁性，[J.Phys.D:Appl.Phys.40(2007)7799 -7803]結(jié)果表明鉻的摻入可以有效地改善材料的鐵電性。到目前為止還沒有文獻(xiàn)報(bào)道過有關(guān)鋇、鉻共摻的陶瓷的制備，而從理論上講兩者的共摻可以有效地同時(shí)提高材料的鐵磁性和鐵電性。從測(cè)試的結(jié)果也證明了我們的推斷，符合我們的設(shè)想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種具有優(yōu)異室溫多鐵性，介電常數(shù)穩(wěn)定，介電損耗低，漏電流密度小的鋇、鉻共摻鐵酸鉍陶瓷及其制備方法。
[0007]本發(fā)明的一種具有室溫多鐵性鋇、鉻共摻鐵酸鉍陶瓷，其特征在于，所述的鋇、鉻共摻鐵酸鉍陶瓷的化學(xué)分子式為=BihBaxFepyCryO3，其中O < x≤0.2，O < y≤0.1，優(yōu)選
0.1 ≤ X ≤ 0.2，0.05 ≤ y ≤ 0.1，更優(yōu)選 χ=0.2，y=0.1 組分。
[0008]上述一種具有室溫多鐵性鋇、鉻共摻鐵酸鉍陶瓷的制備方法，其特征在于包括以下步驟；
[0009](I)將原料Bi203、BaCO3> Cr2O3和Fe2O3,按照元素化學(xué)摩爾計(jì)量比進(jìn)行配料；
[0010](2)將步驟(1)中的混合料進(jìn)行球磨，采用聚四氟乙烯球磨罐、瑪瑙球、助磨劑為無水乙醇，球磨時(shí)間為12h，轉(zhuǎn)速為400r/min ；
[0011](3)將步驟(2)中得到的漿料在100°C下烘干，烘干時(shí)間為6h，將獲得的粉末在研缽中稍許研磨后在800-840°C煅燒2h ；[0012](4)將步驟(3)獲得的煅燒粉末再次采用步驟(2)的條件球磨，烘干后加入聚乙烯醇水溶液研磨、過篩，利用壓片機(jī)在472MPa壓力下壓成片狀；
[0013](5)將步驟(4)獲得的片體在560°C下排膠2h，最后在890_920°C下燒結(jié)成瓷。
[0014]上述聚乙烯醇水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。
[0015]本發(fā)明優(yōu)選組分制備的多鐵性陶瓷在室溫下具有優(yōu)異的鐵電、鐵磁與介電特性，且漏電流密度很小。在-2T-2T磁場(chǎng)中測(cè)得材料的剩余磁化強(qiáng)度為(2Mr=1.0emu/g)，較之單摻鋇提高了 I倍。矯頑場(chǎng)為(2Hc=50300e)，比單摻鋇降低了大約lOOOOe。介電常數(shù)隨頻率變化穩(wěn)定在38，介電損耗隨頻率變化穩(wěn)定在0.04，較之單摻鋇分別下降了 93.41%和96.2%，在lOKV/cm電場(chǎng)強(qiáng)度下樣品的電阻率為1.83*109Q/cm。介電和電阻率值說明鉻的摻入使得樣品內(nèi)部氧空位減少，接下來在lOOKV/cm電場(chǎng)下測(cè)得最大剩余極化值為(2Pr=l.9 μ C/cm2),比單摻鋇提高了 8.5倍，表明材料在室溫下同時(shí)具有優(yōu)異的鐵電、介電和鐵磁性能。
[0016]由于BiFeO3具有G-型反鐵磁結(jié)構(gòu),通過摻雜堿土金屬Ba和過渡金屬Cr破壞其反鐵磁結(jié)構(gòu)，并在內(nèi)部形成Fe3+-O-Cr3+鐵磁性相互作用，增強(qiáng)鐵磁性，其中堿金屬元素鋇對(duì)于鉍元素的取代抑制了鐵酸鉍本身的自旋螺旋反鐵磁結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了磁性。過渡元素鉻對(duì)于鐵元素的取代產(chǎn)生了 Fe3+-O-Cr3+的鐵磁性的交互作用，同時(shí)會(huì)形成比[FeO6]穩(wěn)定的[CrO6]八面體結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定了晶體 結(jié)構(gòu)，減少了氧空位，使得磁性和鐵電性會(huì)同時(shí)得到提高。所以過渡金屬和堿金屬元素的共取代為同時(shí)提高鐵磁性和鐵電性提供了可能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明共摻的鐵酸鉍的XRD圖譜；
[0018]圖2為本發(fā)明制備的共摻的鐵酸鉍的磁滯回線；
[0019]圖3為本發(fā)明制備的共摻的鐵酸鉍的電滯回線；
[0020]圖4為本發(fā)明制備的共摻的鐵酸鉍的介電損耗-頻率圖；
[0021]圖5為本發(fā)明制備的共摻的鐵酸鉍的介電常數(shù)-頻率圖；
[0022]圖6為本發(fā)明制備的共摻的鐵酸鉍的漏電流密度圖；
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明制備的鋇、鉻共摻的鐵酸鉍陶瓷具有優(yōu)異的鐵電和鐵磁特性，在微電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0024]實(shí)施例1
[0025](I)將原料 Bi203、BaCO3JP Fe2O3 以化學(xué)計(jì)量比為組成為 Bia8Baa2FeO3 (BBFO)配料，以無水乙醇和瑪瑙球?yàn)橹┖颓蚰ソ橘|(zhì)，以轉(zhuǎn)速為400r/min，球磨12h。烘干后在800°C下煅燒2h，取出后摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的聚乙烯醇溶液，在472Mpa壓力下壓成直徑為
11.5mm的圓片，隨后在560°C下排膠2h,最后在920°C燒結(jié)成瓷。
[0026](2)采用步驟(1)制成的鋇、鉻共摻的鐵酸鉍陶瓷的XRD圖(見圖1)，磁滯回線(見圖2)，電滯回線(見圖3)，損耗譜圖(見圖4)，介頻譜圖(見圖5)，漏電流密度圖(見圖6)。
[0027]實(shí)例2
[0028](I)將原料Bi203、BaC03、Cr203和Fe2O3 以化學(xué)計(jì)量比為組成為Bia8Baa2Fea95Cratl5O3(BBFCl)配料，以無水乙醇和瑪瑙球?yàn)橹┖颓蚰ソ橘|(zhì)，以轉(zhuǎn)速為400r/min，球磨12h。烘干后在840°C下煅燒2h，取出后摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的聚乙烯醇溶液，在472Mpa壓力下壓成直徑為11.5mm的圓片，隨后在560°C下排膠2h，最后在890°C燒結(jié)成瓷，其陶瓷靶材的XRD圖譜(見圖1)完全符合BiFe03PDF71-2494衍射標(biāo)準(zhǔn)譜，說明所得物質(zhì)沒有雜相生成，得到了 Bia8Baa2Fea95Cratl5O3相。
[0029](2)采用步驟(1)制成的鋇、鉻共摻的鐵酸鉍陶瓷Bia8Baa2Fea95Cratl5O3的磁滯回線(見圖2)，電滯回線(見圖3)，損耗譜圖(見圖4)，介頻譜圖(見圖5)，漏電流密度圖(見圖6)。
[0030]實(shí)例3[0031 ] (I)將原料Bi203、BaC03、Cr203 和 Fe2O3 以化學(xué)計(jì)量比為組成為 Bia^a0.2Fe0.9Cr0.A(BBFC2)配料，以無水乙醇和瑪瑙球?yàn)橹┖颓蚰ソ橘|(zhì)，以轉(zhuǎn)速為400r/min，球磨12h。烘干后在840°C下煅燒2h，取出后摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的聚乙烯醇溶液，在472Mpa壓力下壓成直徑為11.5mm的圓片，隨后在560°C下排膠2h，最后在910°C燒結(jié)成瓷，其陶瓷靶材的XRD圖譜(見圖1)完全符合BiFe03PDF71-2494衍射標(biāo)準(zhǔn)譜，說明所得物質(zhì)沒有雜相生成，得到了 Bia8Baa2Fea9CraiO3相。
[0032](2 )采用步驟(1)制成的鋇、鉻共摻的鐵酸鉍陶瓷Bi。.8Ba0.2Fe0.9Cr0.的磁滯回線(見圖2)，電滯回線(見圖3)，損耗譜圖(見圖4)，介頻譜圖(見圖5)，漏電流密度圖(見圖6)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有室溫多鐵性鋇、鉻共摻鐵酸鉍陶瓷，其特征在于，所述的鋇、鉻共摻鐵酸鉍陶瓷的化學(xué)分子式為=BihBaxFe1^CryO3，其中O < x≤0.2，O < y≤0.1。
2.按照權(quán)利要求1的一種具有室溫多鐵性鋇、鉻共摻鐵酸鉍陶瓷，其特征在于，0.1 ≤ X ≤ 0.2,0.05 ≤ y ≤0.1。
3.按照權(quán)利要求1的一種具有室溫多鐵性鋇、鉻共摻鐵酸鉍陶瓷，其特征在于，x=0.2，y=0.1組分。
4.制備權(quán)利要求1的一種具有室溫多鐵性鋇、鉻共摻鐵酸鉍陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將原料Bi203、BaCO3>Cr2O3和Fe2O3,按照BihBaxFepyCryO3元素化學(xué)摩爾計(jì)量比進(jìn)行配料； (2)將步驟(1)中的混合料進(jìn)行球磨，采用聚四氟乙烯球磨罐、瑪瑙球、助磨劑為無水乙醇，球磨時(shí)間為12h，轉(zhuǎn)速為400r/min ； (3)將步驟(2)中得到的漿料在100°C下烘干，烘干時(shí)間為6h，將獲得的粉末在研缽中稍許研磨后在800-840°C煅燒2h ； (4)將步驟(3)獲得的煅燒粉末再次采用步驟(2)的條件球磨，烘干后加入聚乙烯醇水溶液研磨、過篩，利用壓片機(jī)在472MPa壓力下壓成片狀； (5)將步驟(4)獲得的片體在560°C下排膠2h，最后在890-920°C下燒結(jié)成瓷。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，聚乙烯醇水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。
【文檔編號(hào)】C04B35/26GK103936408SQ201410149309
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月12日
【發(fā)明者】張銘, 魏紀(jì)周, 鄧浩亮, 嚴(yán)輝, 宋雪梅, 王波, 王如志, 侯育冬, 朱滿康, 汪浩 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)