鋇摻雜的BiFeO3磁性的電場(chǎng)調(diào)制研究 轉(zhuǎn)載于漢斯學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們

鋇摻雜的BiFeO3磁性的電場(chǎng)調(diào)制研究 內(nèi)容總結(jié)：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)器件小型化的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)單一性質(zhì)的材料很難滿足人們的需求，因此人們開(kāi)始研究同時(shí)具有兩種或兩種以上功能的新材料，以研制能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種功能的新型器件 [1] 。同時(shí)具備鐵電、鐵磁、鐵彈等兩種或以上鐵性的多鐵材料就是其中典型的代表 [2] 。

內(nèi)容：

1. 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)器件小型化的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)單一性質(zhì)的材料很難滿足人們的需求，因此人們開(kāi)始研究同時(shí)具有兩種或兩種以上功能的新材料，以研制能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種功能的新型器件 [1]

同時(shí)具備鐵電、鐵磁、鐵彈等兩種或以上鐵性的多鐵材料就是其中典型的代表 [2]

目前發(fā)現(xiàn)的多鐵性材料絕大部分只在極低溫下才表現(xiàn)出鐵電性和磁性的共存，這給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了很大的困難

因此現(xiàn)在研究最多的是磁電復(fù)合材料，即在一層鐵電性材料上加一層鐵磁性材料，例如Co/PZT復(fù)合膜 [3] [4] ，雖然磁化和鐵電極化較強(qiáng)，但復(fù)合相之間還存在共燒匹配、界面擴(kuò)散，從而制約材料的磁電耦合性能 [5]

而大部分多鐵性磁電單相材料的磁化和鐵電極化都很小 [6] ，例如La0.9Bi0.1MnO3薄膜在3 K的低溫條件下才具有多鐵性 [7] [8] ，遠(yuǎn)達(dá)不到應(yīng)用的要求

因此，室溫下同時(shí)具有較強(qiáng)磁化強(qiáng)度和鐵電極化及其耦合性能的BiFeO3 (BFO)引起了人們的廣泛研究 [9] [10]

BiFeO3是典型的鈣鈦礦ABO3結(jié)構(gòu)，斜六方晶格，R3c空間群，人們通過(guò)A、B位摻雜，改變BiFeO3空間反演對(duì)稱結(jié)構(gòu) [11] ，以此來(lái)減少漏電流，提高鐵電、鐵磁性質(zhì)

多鐵材料電極化與磁矩間可以相互調(diào)控 [12] 這一特性，為新一代存儲(chǔ)器件提供了更多的自由度，可以用于實(shí)現(xiàn)多態(tài)存儲(chǔ) [13]

本實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)的溶膠–凝膠法制備了鋇摻雜的BiFeO3陶瓷樣品，并使用X射線衍射(XRD)、拉曼光譜儀(Raman)、鐵電綜合測(cè)試系統(tǒng)和完全無(wú)液氦綜合物性測(cè)量系統(tǒng)(PPMS)等分析手段對(duì)Bi0.9Ba0.1FeO3 (BBFO)樣品的晶體結(jié)構(gòu)、鐵電性和鐵磁性進(jìn)行分析，為后續(xù)的研究和應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

2. 實(shí)驗(yàn)2.1. 樣品制備本實(shí)驗(yàn)采用溶膠–凝膠法制備Bi0.9Ba0.1FeO3材料前驅(qū)體，將硝酸鉍、硝酸鋇、硝酸鐵按分子式中陽(yáng)離子物質(zhì)的量之比稱量并先后加入適量乙二醇中，攪拌至完全溶解得到溶液A；稱取適當(dāng)比例檸檬酸加入去離子水中攪拌至完全溶解得到溶液B；將溶液A緩慢地加入到溶液B充分均勻混合，得到溶液C，置入80℃~85℃水浴鍋水浴攪拌直到形成紅褐色濕凝膠，放入120℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥2~3天，得到疏松多孔的紅褐色干凝膠

在400℃下熱處理3 h去除有機(jī)物，得到Bi0.9Ba0.1FeO3材料前驅(qū)體粉末

將其研磨成精細(xì)粉末，壓片后快速放入625℃馬弗爐中進(jìn)行退火處理10 min，快速降至室溫，得到Bi0.9Ba0.1FeO3陶瓷樣品

隨后使用X射線衍射儀(XRD, Ultima IV)測(cè)試樣品的結(jié)構(gòu)、拉曼光譜儀(Raman, HR Evolution)對(duì)樣品進(jìn)行Raman檢測(cè)，鐵電綜合測(cè)試系統(tǒng)(美國(guó)，Radiant)測(cè)試樣品的電滯回線，完全無(wú)液氦綜合物性測(cè)量系統(tǒng)(PPMS, Dynacool)測(cè)試樣品的磁滯回線

2.2. 結(jié)構(gòu)表征



Figure 1. (a) XRD and (b) Raman pattern of Bi0.9Ba0.1FeO3 samples

圖1. Bi0.9Ba0.1FeO3樣品的(a) XRD

圖譜和(b) 拉曼光譜

圖1(a)為Bi0.9Ba0.1FeO3樣品的XRD

圖譜，其中22.46?和31.88?兩處出現(xiàn)明顯的BBFO主峰，其余39.56?，45.89?，51.37?，57.05?，66.41?，71.33?，75.87?處都有較為明顯的特征峰出現(xiàn)

經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片對(duì)比可知，除了

圖中27.46?左右的位置出現(xiàn)很弱的Bi2Fe4O9峰外，沒(méi)有出現(xiàn)其他雜峰

拉曼光譜對(duì)于分子鍵合以及樣品的結(jié)構(gòu)非常敏感，對(duì)與入射光頻率不同的散射光譜進(jìn)行分析以得到分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方面信息，為進(jìn)一步分析Bi0.9Ba0.1FeO3的分子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特性，我們對(duì)Bi0.9Ba0.1FeO3樣品測(cè)試了拉曼光譜，結(jié)果如

圖1(b)所示

4個(gè)A1振動(dòng)模和6個(gè)E模與鐵酸鉍的研究相符 [14] ，其中在92 cm?1、117 cm?1、313 cm?1位置產(chǎn)生了新的振動(dòng)模式，這證明Ba離子部分替代了Bi離子使晶格產(chǎn)生畸變，進(jìn)而使部分晶格聲子振動(dòng)模被抑制而產(chǎn)生簡(jiǎn)并振動(dòng)模

2.3. 鐵磁性、鐵電性

圖2(a)為在300 K下Bi0.9Ba0.1FeO3的磁滯回線和不同掃描電場(chǎng)下的電滯回線，依據(jù)矯頑力HC = (HC+ ? HC?)/2和剩余磁化強(qiáng)度Mr = (Mr+ ? Mr?)/2，可以得到Bi0.9Ba0.1FeO3的矯頑力達(dá)到300 Oe，剩余磁化強(qiáng)度Mr為0.851 emu/g，與BiFeO3相比 [9] ，Ba摻雜明顯提升了鐵酸鉍體系的磁性，結(jié)合

圖1的XRD

圖譜和拉曼測(cè)試結(jié)果，其原因在于Ba離子的加入破壞了晶格原有的周期性反鐵磁螺旋磁結(jié)構(gòu) [15] ，增強(qiáng)了Bi0.9Ba0.1FeO3的磁性

BiFeO3作為一種反鐵磁材料，其固有磁矩主要取決于材料的Fe離子

近鄰的兩個(gè)Fe離子呈反自旋排列，故而形成了G型反鐵磁序

近年來(lái)，大量的研究表明，A位替代會(huì)破壞BFO的反鐵磁序

同樣，Ba摻雜導(dǎo)致Fe-O-Fe鍵角發(fā)生改變，導(dǎo)致Fe離子和Fe離子之間的反自旋被破壞，反鐵磁性被破壞，釋放出更多的磁矩



Figure 2. Room-temperature magnetic hysteresis loop (a) and ferroelectric hysteresis loop under different scanning electric fields (b) of Bi0.9Ba0.1FeO3

圖2. 室溫下Bi0.9Ba0.1FeO3的(a) 磁滯回線和(b) 不同掃描電場(chǎng)下的電滯回線

圖2(a)為樣品在300 K下分別以不同掃描電場(chǎng)下測(cè)試得到的電滯回線

根據(jù)謝元濤等 [16] 的研究，摻雜會(huì)增強(qiáng)鐵酸鉍的剩余極化強(qiáng)度，減小漏電流

從

圖中可以看到，樣品表現(xiàn)出了明顯的鐵電性，隨著掃描電場(chǎng)從0.1 kV/cm到4.0 kV/cm，樣品的飽和極化強(qiáng)度Ps、剩余極化強(qiáng)度Pr、矯頑場(chǎng)Ec分別從0.0165 μC/cm2、0.0063 μC/cm2、0.0335 kV/cm增大到0.6413 μC/cm2、0.2036 μC/cm2、1.060 kV/cm

2.4. 鐵磁性的電場(chǎng)調(diào)控



Figure 3. Sample structure of Bi0.9Ba0.1FeO3 for electric field application

圖3. 用于加電場(chǎng)的Bi0.9Ba0.1FeO3樣品結(jié)構(gòu)對(duì)樣品進(jìn)行上下表面加電場(chǎng)處理60分鐘后撤去電場(chǎng)，然后測(cè)試其磁滯回線，電場(chǎng)調(diào)制下樣品磁性測(cè)試的結(jié)構(gòu)示意

圖如

圖3所示

首先將厚度約為0.5 mm的樣品上下兩表面均勻涂上銀漿，用銦粒引出鉑絲，固定在樣品桿上，使用穩(wěn)壓電源加電場(chǎng)，再用PPMS測(cè)試其在300 K溫度下的磁滯回線，結(jié)果如

圖4所示

圖4(a)是從0 kV~4 kV電場(chǎng)極化下的磁滯回線，

圖4(b)是從0 kV~?4 kV電場(chǎng)極化下的磁滯回線，從

圖中可以看出，矯頑力隨著電場(chǎng)的增加先增大后減小

為進(jìn)一步探究二者關(guān)系，取矯頑力，給出了矯頑力[HC = (HC+ ? HC?)/2]對(duì)外加電場(chǎng)變化的響應(yīng)曲線，如

圖5所示

可以看出，未施加外電場(chǎng)極化時(shí)，Bi0.9Ba0.1FeO3的矯頑力HC約為300 Oe，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加矯頑力逐漸減小，經(jīng)過(guò)0.8 kV/cm電場(chǎng)極化后，Bi0.9Ba0.1FeO3的矯頑力HC，達(dá)到最小值約為289 Oe，隨后隨著外電場(chǎng)的增大，樣品的矯頑力開(kāi)始增大，反向加電場(chǎng)時(shí)，趨勢(shì)基本與正向電場(chǎng)對(duì)稱，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加矯頑力逐漸減小，經(jīng)過(guò)?0.4 kV/cm電場(chǎng)極化后，Bi0.9Ba0.1FeO3的矯頑力HC達(dá)到最小值約為287 Oe，隨后隨著外電場(chǎng)的增大，樣品的矯頑力開(kāi)始增大



(a)



(b)

Figure 4. Magnetic hysteresis loop of Bi0.9Ba0.1FeO3 under different electric fields (a) positive electric field and (b) negative electric field

圖4. 不同電場(chǎng)下Bi0.9Ba0.1FeO3的磁滯回線(a) 正電場(chǎng)和(b) 負(fù)電場(chǎng)



Figure 5. Curve of HC change with external electric field

圖5. 矯頑力HC隨外電場(chǎng)變化曲線

圖從矯頑力隨著外電場(chǎng)變化的響應(yīng)可以看出，電極化的方向和大小會(huì)影響B(tài)i0.9Ba0.1FeO3的磁特性

鐵磁材料的矯頑力主要來(lái)源于反磁化過(guò)程中不可逆疇壁位移和磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力，沒(méi)有反磁化核形成時(shí)疇壁位移很難發(fā)生，此時(shí)反磁化過(guò)程是通過(guò)磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)的阻礙主要是各種磁各向異性的影響 [17] ，材料的總矯頑力可以用公式表示為：Hc≈aK1μ0MS+b(N⊥?N∥)Ms+cλsσμ0MS(1)式中，右邊三項(xiàng)依次為磁晶各向異性、形狀各向異性和應(yīng)力各向異性的貢獻(xiàn)，a、b、c是和晶體結(jié)構(gòu)顆粒取向分布有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于制備好的有具體形狀的塊體材料，形狀各向異性和應(yīng)力各向異性表現(xiàn)不是很明顯，對(duì)磁各向異性的影響可以忽略，對(duì)公式1的后兩項(xiàng)幾乎沒(méi)有影響

根據(jù)

圖4給出了測(cè)試的磁滯回線，從

圖中可以看出，材料的飽和磁化強(qiáng)度Ms變化很小，所以矯頑力的大小與磁晶各向異性常數(shù)K1有關(guān)

外加電場(chǎng)改變了樣品電極化的方向和大小，樣品的電極化方向與易磁化軸垂直，鐵電疇的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)引起B(yǎng)i0.9Ba0.1FeO3內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的變化，帶動(dòng)易磁化軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，易磁化軸的轉(zhuǎn)動(dòng)引起晶體磁晶各向異性常數(shù)K1發(fā)生變化

結(jié)合矯頑HC隨外電場(chǎng)變化

圖可知隨著外電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，易磁化軸的轉(zhuǎn)動(dòng)引起磁晶各向異性常數(shù)K1先減小后增大，因此導(dǎo)致矯頑力先減小后增大 [18] [19] ，這也進(jìn)一步證明了電極化與磁極化之間的耦合作用

3. 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)采用溶膠凝膠法制備了Bi0.9Ba0.1FeO3陶瓷樣品，探究了Ba離子摻雜對(duì)BiFeO3磁性的影響

結(jié)合XRD

圖譜和拉曼光譜分析可知，Ba元素?fù)诫s通過(guò)破壞BiFeO3晶格的空間反演對(duì)稱結(jié)構(gòu)，破壞了BiFeO3的反鐵磁序，釋放出更多的磁矩，使BiFeO3在室溫下呈現(xiàn)了更強(qiáng)的鐵磁性和鐵電性

此外，外加電場(chǎng)通過(guò)驅(qū)使鐵電疇轉(zhuǎn)動(dòng)，引起B(yǎng)i0.9Ba0.1FeO3內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的變化，帶動(dòng)易磁化軸轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果表明，在正向電場(chǎng)增加時(shí)，矯頑力從最開(kāi)始的300 Oe先減小到0.8 kV/cm電場(chǎng)下的289 Oe，之后隨著電場(chǎng)的增加，矯頑力開(kāi)始上升；在反向電場(chǎng)增加時(shí)，矯頑力從300 Oe先減小到?0.4 kV/cm電場(chǎng)下的287 Oe，之后隨著電場(chǎng)的增加，矯頑力上升

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明外加電場(chǎng)改變了其磁性特征，即電場(chǎng)可以通過(guò)調(diào)控Bi0.9Ba0.1FeO3的電極化強(qiáng)度而改變樣品的矯頑力

這一結(jié)果使Bi0.9Ba0.1FeO3在多鐵材料存儲(chǔ)器件領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的前景，為進(jìn)一步磁電性能研究及應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

基金項(xiàng)目本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)：11004031)、福建省自然科學(xué)基金(編號(hào)：2020J01192，2021J01191)和國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：FJNU202110394016，cxxl-2022170)的資助

NOTES*通訊作者

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標(biāo)簽：Bi0.9Ba0.1FeO3,磁電耦合,多態(tài)存儲(chǔ),Bi0.9Ba0.1FeO3

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