一种铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术一种铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷，其化学式分子式为Bi1‑xEuxFe1‑xZrxO3，其中，掺杂量x的范围为：0＜x≤0.15，该铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷可以按照Bi1‑xEuxFe1‑xZrxO3元素化学摩尔计量比进行配料，然后通过改进的固相反应法得到。由于本发明专利技术通过铕、锆掺杂，能有效减少氧空位、Fe2+、杂相含量，打破了临近的Fe3+反平行排列，同时通过结构扭曲能破坏空间调制的螺旋自旋磁结构，使得铁酸铋材料的漏电特性、介电性能、铁电性能、磁学性能得到显著提高，在信息存储、卫星通讯、自旋电子学、磁电传感器、多功能电子器件等领域具有很好的应用前景。

Europium and zirconium Co doped bismuth ferric oxide ceramic and preparation method thereof

The invention relates to a europium zirconium doped bismuth ferrite multiferroic ceramics, its chemical formula is Bi1 xEuxFe1 xZrxO3, among them, the doping amount of X: 0 x > 0.15, the europium zirconium doped BiFeO3 multiferroic ceramics can be in accordance with the Bi1 xEuxFe1 xZrxO3 chemical Moore the elements stoichiometric in ingredients, and then obtained by solid phase reaction method improved. The invention uses europium zirconium doped, can effectively reduce the oxygen vacancy, Fe2+, impurity content, breaking the nearby Fe3+ anti parallel arrangement, and through structural distortion of spiral spin magnetic structure can damage the spatial modulation, the leakage properties of bismuth ferrite materials, dielectric properties, ferroelectric properties and magnetic properties greatly to improve, has good application prospects in the field of information storage, satellite communications, spintronics, magnetoelectric sensor, multi functional electronic devices etc..

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机非金属材料领域，涉及一种室温下同时具有铁电性和铁磁性的稀土元素铕(A位)、过渡金属元素锆(B位)共掺铁酸铋多铁陶瓷及其制备方法。
技术介绍
多铁性材料不仅同时具有铁电性和磁性，更重要的是，这类材料的铁电性与磁性可以相互耦合进而产生磁电耦合效应等一些新的物理现象，从而有望实现铁电性和磁性的相互调控。多铁性材料是一种新型多功能材料，在自旋电子学、信息存储、传感器以及其它领域有着广阔的应用前景。铁酸铋(BiFeO3)是少数在室温下同时具有铁电性、磁性和磁电耦合效应的单相多铁材料，其居里温度TC约为830℃，奈尔温度Tn约为370℃，这为多铁材料的基本物理机制的研究提供了便利，同时具有潜在的重要的应用前景。因此，BiFeO3成为近年来凝聚态物理、材料科学领域的重要研究热点之一。但是，BiFeO3形成及稳定存在的温度范围较窄，在高温烧结制备过程中Bi3+离子挥发会在材料内部形成氧空位和杂相，引起Fe离子价态波动(Fe3+变价为Fe2+)，从而导致铁酸铋漏电较大、电阻率较低，极化强度较低，很难观测到饱和电滞回线；另外，由于BiFeO3磁结构非简单的G型反磁结构，而是具有空间调制的螺旋自旋结构，这一螺旋磁结构造成整体磁矩相互抵消，抑制了线性磁电作用，从而导致在宏观磁测量中无净磁矩现象，磁性比较弱。目前，研究发现离子替代可以有效提高BiFeO3的电磁学性能，离子替代可以分为A位(取代Bi位)替代、B位(取代Fe位)替代和A-B位共替代。专利公开号为CN102442702A公开了一种钬掺杂铁酸铋多铁材料及其制备方法，采用溶胶-凝胶法制备了Bi1-xHoxFeO3(A位替代)多铁材料，提高了铁酸铋的磁性。专利公告号为CN101303928B公开了一种钴掺杂铁酸铋多铁材料及其制备方法，采用水热反应法制备了BiCoxFe1-xO3(B位替代)多铁材料，发现Co替代明显提高了材料的磁性能。然而，目前A-B位共掺杂正处于探索研究阶段，是本领域的研究热点和难点。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在，针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种能有效改善铁酸铋材料漏电特性、介电性能、铁电性和磁学性能的铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷。本专利技术的另一目的在于提供一种上述铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷的制备方法。为了达到上述目的，本专利技术采取以下技术方案来实现。经研究发现，BiFeO3的铁电性起源于Bi3+离子的孤对电子，磁性起源于Fe3+部分填充的d轨道。稀土离子半径与Bi3+接近，且稀土离子稳定性高于Bi，采用稀土离子A位替代Bi能稳定BiFeO3的钙钛矿结构、减少Bi挥发，进而抑制氧空位、Fe2+和杂相的生成，提高其电学性能；同时稀土离子A位替代Bi能引起结构扭曲甚至结构相变，抑制或破坏其空间调制的螺旋自旋磁结构，提高其磁学性能。高价态(大于+3价)的过渡金属元素替代Fe3+，由于电荷补偿效应可以消除氧空位，减少杂相和Fe2+含量，有利于BiFeO3电学性能的提高；另外，高价态无磁性的过渡金属元素(例如Zr4+离子)B位替代Fe由于电荷补偿效应会产生Fe空位，同时能引起结构扭曲甚至相变，Fe空位和无磁性的过渡金属离子插入Fe3+反铁磁铁晶格中，打破了临近的Fe3+反平行排列，使磁性得以表现出来，同时结构扭曲或相变亦能破坏空间调制的螺旋自旋磁结构，提高其磁性。因此A-B位(B位为高于三价的过渡金属元素)共掺杂的方式能够同时较好地提高材料铁电性和磁学性能的材料。基于上述机理，本专利技术提供了一种铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷，其化学式分子式为Bi1-xEuxFe1-xZrxO3，其中，掺杂量x的范围为：0＜x≤0.15，优选为0.1≤x≤0.15。稀土离子Eu3+半径与Bi3+接近，且稳定性高于Bi，采用Eu离子A位替代Bi能稳定BiFeO3的钙钛矿结构、减少Bi挥发、引起结构扭曲，进而抑制氧空位、Fe2+和杂相的生成、破坏周期调制的螺旋自旋结构，提其高电磁特性。高价态无磁性的过渡金属离子Zr4+替代Fe3+，由于电荷补偿效应可以产生Fe空位和消除氧空位，同时可以减少Fe2+含量、消除杂相、引起结构扭曲；氧空位、Fe2+、杂相的减少有利于BiFeO3电学性能的提高，而Fe空位和无磁性的Zr4+离子插入Fe3+反铁磁铁晶格中，打破了临近的Fe3+反平行排列，使磁性得以表现出来，同时结构扭曲能破坏空间调制的螺旋自旋磁结构，亦能提高其磁性。因此Eu(A位替代)和Zr(B位替代)共掺杂能够同时较好地改善BiFeO3漏电特性、提高其铁电性和磁学性能。上述铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)将原料Bi2O3、Eu2O3、Fe2O3和ZrO2，按照Bi1-xEuxFe1-xZrxO3元素化学摩尔计量比进行配料；(2)将步骤(1)称取的原料研磨均匀，并将研磨均匀的粉末置于650-720℃预烧1h-5h；(3)将步骤(2)所得预烧粉末进行再次研磨均匀，并将研磨均匀的预烧粉末压制成型；(4)将压制成型的物料在850-870℃烧结至少20min，得到铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷。上述铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷的制备方法，步骤(2)中，可以采用本领域已经披露的常规手段对称取的原料研磨，例如利用研钵手工研磨或者球磨机研磨等。本专利技术中是将步骤(1)称取的原料，以有机溶剂为媒介在研钵中研磨5-12h，然后将研磨得到的粉体烘干得到研磨均匀的粉末。其中有机溶剂为无水乙醇、异丙醇或丙酮，其用量为刚好淹没粉体；研磨时间可以根据研磨程度而定，一般研磨5-12h。上述铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷的制备方法，步骤(2)中，首先要将研磨好的配料进行干燥，可以采用本领域已经披露的常规手段对研磨好的粉末进行干燥，一般采用烘箱进行烘干。本专利技术中将研磨得到的粉体置于100℃-150℃干燥8h-14h，使粉体烘干得到研磨均匀的粉末；干燥后的粉末需要进一步研磨30-60min，以将粉末研磨均匀，便于进行预烧。上述铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷的制备方法，将研磨均匀的粉末进行预烧的目的在于经过一次高温作用，使各原料之间产生必要的初步反应，期望大部分能够形成所需的主相，一定程度上可以提高颗粒的烧结活性，有利于BiFeO3后续的烧结成相，得到结晶性好的单相材料，进而减小漏电流、提高磁性；本专利技术经研究发现，当预烧温度为650-720℃，预烧时间2h-3h，其预烧效果最佳，预烧时间过短，各原料之间的预反应不充分，不利于后续烧结样品的成相，预烧时间过长会导致粉体晶粒尺寸较大，不利于后续的压片。上述铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷的制备方法，步骤(3)中首先将预烧后的粉末再次研磨均匀，研磨时间一般2-4h，然后将研磨均匀的预烧粉末压制成型，本领域技术人员可以采用本领域已经披露的常规手段压制成型，例如千斤顶压片机等；本专利技术中将研磨均匀的预烧粉末利用压片机在7-20MPa压力下压制到设定尺寸，本专利技术中采用的是柱形模具，将预制粉末压制成直径为11-15mm、厚度为1.2-2.0mm的圆片。上述铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷的制备方法，压制成型的物料在850-870℃烧结至少20min，使预烧结后的粉体充分反应，从而得到铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷；其中烧结时间优选为20-40min。上述铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷的制备方法，步骤(4)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷，其特征在于，其化学式分子式为Bi1‑xEuxFe1‑xZrxO3，其中，掺杂量x的范围为：0＜x≤0.15。

【技术特征摘要】
1.一种铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷，其特征在于，其化学式分子式为Bi1-xEuxFe1-xZrxO3，其中，掺杂量x的范围为：0＜x≤0.15。2.权利要求1所述铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将原料Bi2O3、Eu2O3、Fe2O3和ZrO2，按照Bi1-xEuxFe1-xZrxO3元素化学摩尔计量比进行配料；(2)将步骤(1)称取的原料研磨均匀，并将研磨均匀的粉末置于650-720℃预烧1h-5h；(3)将步骤(2)所得预烧粉末进行再次研磨均匀，并将研磨均匀的预烧粉末压制成型；(4)将压制成型的物料在850-870℃烧结至少20min，得到铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷。3.根据权利要求2所述铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将步骤(1)称取的原料，以有机溶剂为媒介在研钵中研磨5h-12h，然后将研磨得到的粉体烘干得到研磨均匀的粉末。4.根据权利要求3所述铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为无水乙醇、异丙醇或丙酮。5.根据权利要求4所述铕、锆共掺铁酸铋多铁陶瓷的制备方法，其特征在于，将研磨得到的粉体置于100℃-150℃干燥8-14h，使粉体烘干得到研磨均匀的粉末，干燥后的粉末需要进一步研磨30-60m...

【专利技术属性】
技术研发人员：代海洋，李涛，刘德伟，薛人中，陈靖，陈镇平，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南;41