论文摘要：多铁性BiFeO3的水热合成、形貌与性能研究

多铁性材料同时具有铁电性和磁性，是一种新型多功能材料，其在多功能器件方面的潜在应用价值，成为人们关注的一个焦点。目前，BiFeO3是研究最为广泛的多铁性材料之一，这主要是因为它在室温下同时具有两种结构有序，即铁电有序 （居里温度Tc = 830 °C）和G型反铁磁有序（尼尔温度TN ?= 370 °C），且两者之间存在明显的耦合作用，可能实现磁性和铁电性的互相调控。就目前看，由于块体BiFeO3 中存在缺陷、非化学计量比和铁元素变价等问题，使得块体漏导大；BiFeO3具有非公度正弦螺旋结构，周期为62 nm，这一空间调制结构造成离子磁矩相互抵消，使得块体在宏观情况下难以观测到净磁矩。要想提高其性能，制备高质量单相BiFeO3粉体是关键之一，因为BiFeO3和其他功能材料一样，其性质很大程度上取决于材料的形貌、尺寸、维度及结晶度，所以对BiFeO3的形貌、尺寸、维度及结晶度控制是非常重要的。水热法是近年来得到广泛重视和深入发展的一种制备材料的湿化学方法，其特点之一在于通过调节水热条件来控制材料微观结构和形貌。那么通过水热法制备高质量的BiFeO3粉体，前期水热工艺的探索及优化是基础，不同形貌水热颗粒的合成、形貌演变及形成机理的探索是关键，同时这也为理论研究和开发新材料奠定了基础。
本文以BiFeO3为研究对象，以Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O为原料，KOH为矿化剂，采用水热法制备BiFeO3粉体，在水热前期工艺优化的基础之上，通过仔细调控水热条件得到了各种不同形貌的BiFeO3微米颗粒，并对其形成机理、磁、铁电及光吸收性能进行了研究；使用纯的BiFeO3水热粉体压片、烧结得到了单相BiFeO3陶瓷样品并对其介电及磁性能进行了详细探究。具体如下：
采用水热法制备BiFeO3粉体时，不溶解硝酸铋，直接将其与硝酸铁和KOH混合装釜反应，不仅容易合成纯的单相BiFeO3，而且工艺简单、节省药品。XRD结果表明，采用不同的矿化剂合成样品时，可以得到不同的铋铁系化合物，当选用NaOH作为矿化剂时，得到的产物为纯的Bi2Fe4O9粉体。当改用KOH时，产物的主相为BiFeO3，当改用LiOH·H2O时，得到了纯的Bi25FeO39粉体。K +、Na + 和 Li +分别导致BiFeO3、Bi2Fe4O9和Bi25FeO39的形成。可见在高碱浓度下采用KOH作为矿化剂较易合成BiFeO3粉体。
采用水热法制备了BiFeO3粉体样品，通过仔细调控水热条件得到了各种大尺度多面体BiFeO3颗粒。XRD图表明所得样品为钙钛矿结构，由SEM图可知所得样品主要有片状、球状、截角八面体、立方八面体和截角立方体。实验结果表明KOH浓度、反应时间及升降温速率对BiFeO3颗粒的形貌及尺寸有很大的影响。在此基础上，对大尺度多面体BiFeO3颗粒的形貌演变及形成机理进行了详细讨论。所得样品有明显的磁性和铁电性。
根据BiFeO3水热粉体热分析图谱可知，BiFeO3块体样品的烧结温度应该小于910 °C。由XRD图可知，在700~875 °C范围内，使用纯的BiFeO3水热粉体压片、烧结可得到单相BiFeO3块体样品。由SEM图、相对密度和收缩率曲线可知，850 °C烧结后的样品，其晶粒饱满，晶界明显，致密度高，具有明显的晶粒晶界织构。对700 °C，750 °C，800 °C和 850 °C 烧结1 h所得块体样品进行了室温介电频谱测试，发现样品具有巨介电和介电弛豫行为。这一巨介电和介电弛豫现象不仅与陶瓷内局域电荷跳跃及晶粒晶界结构有关，而且还与晶粒尺寸有关。对850 °C烧结的样品进行了低温（-105 °C~30 °C）介电温谱的测试和激活能的分析。发现样品低温介电温谱存在明显规则的介电常数台阶和介电损耗峰，且其随频率的增加（1 kHz~1 MHz）明显向高温移动，计算得出表征样品弛豫过程中的激活能为0.397 eV。在此基础上，给出了BiFeO3陶瓷样品介电弛豫行为的可能机理。

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