论文部分内容阅读
同时具有两种或两种以上的铁性序参量（如铁电性、铁磁性、铁弹性、铁涡旋性等）的材料称为多铁性材料。作为一种典型的多铁性材料,BiFeO3（BFO）同时具有铁电性和G型反铁磁序。由于在一个体系中具有多种物理效应,且相互效应之间可以相互调控,因此可以应用于许多重要的领域。近年来,铁电材料的光伏效应又再一次激发了人们对薄膜的研究兴趣。因为BFO是一种比较少见的窄带隙铁电体,除了具有铁电、铁磁性外,它还具备与可见光波长相匹配的带隙。并且BFO薄膜具有很强的光伏效应,能产生比较大的开路电压。这为可见光降解有机污染物、光催化、及新型太阳能电池等相关的光学器件提供了很大的机会。然而,由于BiFeO3材料的合成温度区间小,Bi易挥发及Fe的变价,导致较大的漏电流。因此高质量的BiFeO3材料的合成非常困难,这严重限制了BiFeO3的应用。本文通过采用Sol-gel法成功的合成了BiFeO3粉体,然后采用三种不同制备工艺制备BiZnxTix Fe1-2xO3（BFZTO）陶瓷,对样品的物相,形貌及物理性能等进行了研究。又采用冷等静压传统烧结制备BiZn0.02Ti0.02Fe0.96O3陶瓷,对烧结工艺进行了研究。接着又通过采用旋涂法在FTO透明导电玻璃上制备了BiZn0.02Ti0.02Fe0.96O3薄膜,对薄膜的物相和物理性能进行了研究。主要研究工作如下:（1）通过采用普通传统烧结,冷等静压传统烧结,放电等离子烧结,三种不同的制备工艺制备BiZnxTix Fe1-2x-2x O3陶瓷。研究Zn2+和Ti4+对Fe位掺杂的影响。对相应的实验结果进行比较发现,由三种不同制备工艺制备的BiZnxTix Fe1-2x-2x O3陶瓷材料均为菱方相,空间群为R3c。经过物理性能的测试,发现由冷等静压传统烧结制备的陶瓷样品的电学性能得到提高,剩余极化Pr=1.18μC/cm2,是其他两种制备工艺的三倍。导致这个性能提高的原因是体系内部形成的缺陷缔合减少的自由移动的电荷,晶界数量的增加阻碍了畴壁的翻转。通过对样品的光学性能进行测试分析发现,由冷等静压传统烧结制备样品的光学带隙的范围1.72-1.98eV,这为BiFeO3在光催化领域的应用提供了更大的机会。（2）通过溶胶凝胶法制备BiZn0.02Ti0.02Fe0.96O3粉体,冷等静压传统烧结制备陶瓷,通过改变烧结温度和保温时长,研究了这两个因素对BiZn0.02Ti0.02Fe0.96O3粉体物相的影响,及陶瓷物相与物理性能的影响,结果表明煅烧温度为550℃,保温时间为2h的条件下可以得到物相单一的粉体。对相关的BiZn0.02Ti0.02Fe0.96O3陶瓷实验结果对比发现,烧结温度与保温时长可以影响BiZn0.02Ti0.02Fe0.96O3陶瓷的电学性能与光学性能,在烧结温度为800℃,保温1h的陶瓷样品的剩余极化Pr=1.2μC/cm2。（3）通过采用旋涂法在FTO透明导电玻璃衬底上制备BiZn0.02Ti0.02Fe0.96O3薄膜,通过探索研究溶胶的浓度、透明导电玻璃的预处理、薄膜的退火方式、退火温度、退火时长,来研究BiZn0.02Ti0.02Fe0.96O3薄膜的物相与物理性能。本文的创新之处在于采用冷等静压传统烧结制备（Zn,Ti）共掺的BiFeO3陶瓷,分析了其对结构与物理性能的影响。并对它们进行了物理性能分析,由于离子掺杂导致BFO内部形成的缺陷缔合,不仅降低了漏电流密度,增强了极化强度,还可以调控BFO的光学带隙,并阐述了BFZTO陶瓷物理性能提升的微观机制。