[发明专利]具有多铁性能的层状结构钛铁钴酸铋陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于氧化物陶瓷材料制备技术领域，特别涉及具有层状钙钛矿结 构的同时具有铁电、铁磁性的钛铁钴酸铋陶瓷的制备工艺。

背景技术

磁电多铁材料是指在某个温区内，同时表现出铁电序和铁磁/反铁磁序， 且彼此之间存在某种耦合的材料。近来，这种材料日益受到瞩目，一方面因 为其不但可以用在铁电和磁性设备的研发上，更为重要的是它能利用磁电之 间的耦合，为设备的设计和应用提供附加的一个自由度，从而在新兴的自旋 电子学、多态信息存储、电驱动铁磁谐振器及磁调控压电传感器上表现出极 为诱人的应用前景。到目前为止，在已发现的多铁材料中，具有简单钙钛矿 ABO3型结构的BiFeO3是一种无铅的环境友好型材料，具有远高于室温的 铁电Curie温度和反铁磁Neel温度，因而备受关注。最新的研究还表明，BFO 的光催化表现也具有潜在应用价值。尽管如此，BFO材料，无论陶瓷和薄 膜形态，都有一些有待克服的缺点，如介电损耗较大、漏电流较高，铁电剩 余极化较小，矫顽场较大和其非均匀的磁性自旋结构等，此外，纯相BFO材 料的制备也有一定的难度，这些困难阻碍了它走向实用的步伐。为了解决这 些困难，大家采取了多种手段，如在制备工艺上，提出了快速液相烧结法能 获得致密的体材料，此外，离子掺杂和其他铁电材料组构固溶体，也可以提 高材料的铁电剩余极化，剩余磁化等性能，其改性原理大致可归于空间群由 菱形相向正交相转变，从而激发出铁电剩余极化，以及打破BFO的螺旋形自 旋序释放铁磁性等。考虑到BFO的自旋螺旋周期约62nm，纳米级的BFO 也会有较好的铁磁性表现。

钛铁酸铋(Bi₅FeTi₃O₁₅，BFTO)为含铋层层状钙钛矿磁电介质材料，其 结构为沿c方向每2个铋氧层((Bi₂O₂)²⁺)之间夹着3个钛氧(Ti-O)八面 体和1个铁氧(Fe-O)八面体组成；BFTO也可以看成由1个三层铁电材料 Bi₄Ti₃O₁₂(BTO)与1个钙钛矿多铁电BiFeO₃(BFO)组合而成，其多铁性 分别来源于铁电单元(BTO)和多铁单元(BFO)。BFTO可以有效利用铋氧 层的绝缘作用来抑制磁性单元由于氧空位和Fe多价态导致的漏电流。文献报 道：BFTO样品的磁性能仍表现为反铁磁性，其Neel温度(T_N)在80K附 近、铁电-顺电相变温度为在1000K附近。

发明内容

本发明的目的是要提供一种新型层状同时具有铁电、铁磁性的磁电多铁 陶瓷材料。

本发明所述陶瓷材料为钛铁钴酸铋(BFCT)，其分子结构式为： Bi₅Fe_0.5Co_0.5Ti₃O₁₅。

由于BFTO的磁性能表现为局域化反铁磁，说明尽管BFTO中Fe-O八 面体单元的排列是无序的，但仍然未能通过打破反铁磁螺旋序来释放磁性能。 所以需要选择其它方案，如通过改变磁性离子耦合来提高磁性能。如果将 BFTO中的一半Fe离子用Co离子来替代，形成新的钛铁钴酸铋 (Bi₅Fe_0.5Co_0.5Ti₃O₁₅，BFCT)材料，则可以实现Fe、Co离子之间的耦合， 这种耦合有可能表现为铁磁性。在钛铁钴酸铋的Bi₅Fe_0.5Co_0.5Ti₃O₁₅(BFCT) 中，由于Fe-O和Co-O八面体排列相对较为有序，从而局部获得Fe-O-Co之 间的耦合，使样品的磁性高。

本发明另一目的是提供具有上述分子结构式的钛铁钴酸铋的陶瓷材料的 制备方法。