高温高压下核-壳结构多铁性纳米复相陶瓷的研究

Multiferroic material are a kind of material which exhibits ferroelectric (or antiferroelectric) in combination with ferromagnetism (or antiferromagnetism) and magnetoelectric coupling. Up to now multiferroic ceramics at room temperature have not been applied because it is diffcult to satisfy both crystalline and electric structure.In this project Fe3O4/BiFeO3 with ferromagnetism sheel-ferroelectric core structrues are designed and multiferroic nano composites are made by high temperature and pressure. The structure and properties are also studied by synchrotron X-ray in situ observed and other measurements such as TEM、Ferroeletric parameter test instrument、Vibrating sample magnetometer and so on. The physics and chemical mechanism about inducing intrinsic magnetoelectric coupling about core-shell structure will be explored, and the relationship between core-shell composite ceramics and multiferroic ,and the response rule on multiferroic under high pressure will be illustrated.

多铁性材料是一种因为结构参数有序而导致铁电性和铁磁性（反铁磁性）并存且具备磁电耦合性质的材料。由于产生铁电性、铁磁性（反铁磁性）的晶体结构和电子结构很难得到同时满足，目前室温多铁性陶瓷材料还远未达到应用的层面。 本项目设计铁磁壳-铁电核的Fe3O4/稀土掺杂BiFeO3结构，通过高温高压烧结技术制取具备核-壳结构的多铁性纳米复相陶瓷，利用同步辐射X射线技术，原位检测在高温高压条件下多铁性纳米复相陶瓷的结构变化，结合其它测试手段，如透射电子显微镜、铁电参数测试仪、振动样品磁强计等进行材料的结构和性能研究，探索核-壳结构引发本征磁电耦合性的物理化学机制，揭示核-壳结构纳米复相陶瓷与多铁性的关系以及多铁性的高压效应和高压响应规律。本项目的研究对阐明多铁性起源的机制具有重要意义，为制备高致密度并同时具备铁电性、铁磁性和强磁电耦合性室温多铁性陶瓷材料奠定基础。

铁电性和铁磁性分别与局域电偶极子和电子局域相关，单相材料很难同时满足具有铁电性和铁磁性的晶体结构和电子结构的条件。铁酸铋是人们发现的少数同时具有多铁性能的体系之一。为了探索多铁性起源的机制，本研究以铁酸铋为主要研究对象，探讨制备工艺、成分改性、多相复合以及压力等因素对材料的多铁性能影响，弄清磁电耦合性的产生机制。本项目的主要研究内容包括以下几个方面：（一）比较水热法、柠檬酸盐法、固相法、溶胶-凝胶法、共沉淀法等工艺制备得到的单相陶瓷和复相陶瓷的结构、磁性能、电性能。（二）分别采用A位Nd、Dy、Ho，B位Co、Mn进行单掺和共掺，探讨掺杂对结构相变及其性能之间的关系。（三）探讨高温高压烧结条件下单相及复相陶瓷的多铁性效应。. 不同的粉体制备工艺均能得到铁酸铋的主要晶相，其中柠檬酸盐法制得的粉体铁磁性能最好，Ms=0.332emu/g。A位单掺对铁酸铋结构和性能的影响较大。Dy、Ho单掺杂均能使铁酸铋的结构发生转变。随着掺杂量的增加，正交相结构占有的比例逐渐增大，结构的畸变程度增大。当Dy掺杂量为20mol%时，样品的Ms最大为0.45169emu/g，当Ho掺杂量为15 mol%时，正交结构相Pbnm占比为47.55（0.52）%。B位Co掺杂明显提高材料的铁磁性，其作用大于Mn掺杂。铁磁性随着Co掺杂量的增大而增大，当掺杂量为20mol%时，Ms为14.426 emu/g，这与结构中尖晶石相的增加有紧密联系。A、B位共掺有利于提高材料的铁电性。铁酸铋在高压（6GPa）烧结条件下抑制了Bi的挥发，通过对样品的ZFC-FC结果分析，铁酸铋中存在铁磁性和反铁磁性两种自旋，并随温度表现出不同的竞争规律。高压下，掺杂Fe3O4/ BiFeO3复相陶瓷具有较好的磁电耦合性能，磁电系数为28.2mV/cm Oe。其中铁酸铋的结构由于掺杂改性和压力效应，其结构由三方相向正交相转变。当两相共存时，在相界处的结构被强烈扭曲，导致宏观磁矩的出现。该项目的研究有利于弄清A位、B位掺杂多铁性材料的影响机制，对揭示复相陶瓷之间的耦合机理及高压效应有较好的理解。