[发明专利]高温单相亚铁磁－铁电多重铁性陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，涉及磁电多重铁性功能材料技术。

背景技术

电子和磁性材料已渗透到现代技术和日常生活的各个方面。设备小型化的潮流引起人们倍加关注将磁性和电子性能融入一体的多功能材料，从而使单个设备组件可执行一项以上的任务。铁电、铁磁、铁弹材料是三种重要的铁性(ferroic)材料，是目前电子和磁性功能材料家族的重要组成部分；而磁电、压电和磁致伸缩材料是多重铁性材料(multiferroics)家族的最重要的三个成员，电、磁或结构序参量间的交叉耦合效应和交叉调控行为是现代信息技术和信息系统中信息获取、传输、存储和执行反馈所用元器件的核心[1-3]。目前，在技术领域已广泛应用的多重铁性材料是压电材料(如PZT、PVDF)和磁致伸缩材料(如铁氧体、Terfenol-D)并已产生了巨大的经济效益。他们的电(磁)极化的改变伴随着形状的改变，反之亦然，常用于声波探测器的声波-电信号转换以及驱动器的电脉冲-驱动转换，每年产生上千亿美元的市场。

铁磁-铁电多重铁性材料不仅具有铁磁、铁电材料的双重属性，而且磁极化和电极化之间可产生交叉耦合和交叉调控新功能，其中最重要的一个耦合效应就是铁电极化对外部磁场的响应和自旋磁矩对外电场的响应。由于磁电耦合系数α与介电常数ε和磁导率μ满足热力学平均场理论关系：α_ij²＜ε_iiμ_jj，因此铁磁-铁电多重铁性体具有预期的最大磁电耦合效应[1，2]。

单相磁电材料的理论和实践研究表明，简单钙钛矿结构氧化物中产生铁磁性和铁电性的通常的微观机制是相互排斥的，他们分别需要空的或部分填充的过渡金属轨道[3-5]。目前，已知的单相磁电多重铁性材料体系，绝大多数是反铁磁性或弱的寄生铁磁性(倾斜反铁磁性)；已知的(亚)铁磁-铁电体只有三类，但他们至少有一个相变温度低于200K：1)方硼石Ni₃B₇O₁₃I，铁磁相变居里温度Tc_M＝60K，铁电相变居里温度Tc_E＝400K；2)钙钛矿结构BiMnO₃，Tc_M＝105K，Tc_E＝750~770K；3)Pb(Fe_2/3W_1/3)O₃，亚铁磁Tc_M＝383K，Tmax_E＝190K。高温高绝缘性单相磁电多重铁性功能材料和器件是引领新一代信息技术和装备制造技术发展的基础，是智能材料和智能结构的核心部件，是推动现有产业升级和培育新兴产业的物质基础。因此，发展磁电材料设计理论和材料制备科学技术，设计开发室温铁磁-铁电多重铁性材料依然是凝聚态物理和材料学研究追寻的一个首要目标。

主要参考文献：

1、N.A.Spaldin and M.Fiebig，Science 309，391(2005)

2、M.Fiebig，J.Phys.D38，R123(2005)

3、N.A.Hill，J.Phys.Chem.B 104，6694(2000)

4、N.A.Hill，A.Filippetti，J.Magn.Magn.Mater.242-245，976(2002)

5、P.Baettig，C.Ederer，and N.A.Spaldin，Phys.Rev.B 72，214105(2005)

发明内容

本发明的目的是从强关联物理理论、材料设计和实验研究三方面入手，在深入分析理解钙钛矿结构氧化物自发电极化和自发磁化等铁性序参量的共存机制及其温度影响特性的基础上，提供一种高温亚铁磁-铁电多重铁性单相材料及其制备方法。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种高温单相亚铁磁-铁电多重铁性陶瓷材料，利用基于化学压原理的固溶体技术方法，即采用不同离子半径的元素进行替代形成单相固溶体的技术方法(“固溶体技术方法”的详情为行业普通技术人员公知，PZT就是此例)，实现Fe-Cr元素在钙钛矿结构B位高度有序分布的Bi₂CrFeO₆双钙钛矿结构氧化物的单相合成，其化学组分为：(1-x-y)BiCrO₃-xBiFeO₃-yABO₃：其中A＝Pb，Ba，Sr；B＝Ti；x＝0.3～0.7，y＝0.1～0.4。

制备该高温单相亚铁磁-铁电多重铁性陶瓷材料的方法一：