[发明专利]具有多铁性能的五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

本发明涉及一种具有多铁性能的五层状结构钛铁钴酸铋陶瓷材料及其制备方法，属于氧化物陶瓷材料技术领域。

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，只有ABO₃型结构的BiFeO₃在室温以上具有铁电性和铁磁性，但样品的漏电流较大且室温以上是反铁磁等特性不能满足实际应用的需要。近年来，对BiFeO₃样品进行了广泛的研究，研究结果表明，用A位掺杂的方法可能改善样品的电学性能，降低样品的漏电流，样品的铁电性能也得到了明显提高。由于BiFeO₃在常温下为反铁磁性，而反铁磁性对外加磁场的响应不够敏感，目前还没有单一相结构的BiFeO₃材料在实际应用方面的报道。

为了满足多铁材料在实际应用中的需要，近年来，多铁电材料成为材料学科研究的热点之一。目前研究多铁电材料的一个主要方向是研究单一结构的材料，在这类材料中钙钛矿材料得到了人们广泛的重视。在双钙钛矿(如：Bi₂MnNiO₆)研究中发现在样品的B位用两种具有d⁰电子结构的磁性离子进行耦合可大大改善样品的铁磁性能，但目前在双钙钛矿材料研究中还存在两个主要问题：(1)样品合成必须在高压下制备，并且很难做到样品B位离子具有较好的有序性；(2)样品的铁电和铁磁的相变温度不同时在室温以上。在钙钛矿材料中层状材料近年来得到了较为广泛的重视。层状钙钛矿多铁材料其结构式可以写成：Bi₄Ti₃O₁₂(BTO)+nBiMO₃(n＝1，2，…，M为磁性离子)，也就是材料可以看成由三层钙钛矿的铁电材料BTO与具有磁性单元的离子团组合而成，其结构为在2个铋氧层((Bi₂O₂)²⁺)之间夹着3个钛氧(Ti-O)八面体和1个或多个磁性单元的(M-O)八面体。由于铋氧层具有绝缘层和电荷库的作用，可有效降低样品的漏电流，对改善样品电学性能有着积极意义。1992年F.KUBEL用固相烧结工艺制备了Bi₅(Ti₃Fe)O₁₅陶瓷样品，研究了Bi₅(Ti₃Fe)O₁₅的微观结构、相变以及介电等相关性能。近年来，为了满足多功能存贮器、多功能传感器等实际应用的需要，人们对层状多铁材料进行了较为广泛的研究。从研究材料的结构上来看，主要研究了n＝1，2，3，也就是4层，5层，6层层状钙钛矿多铁材料；从研究材料性能方面来看主要集中在温室以上样品铁电性能的研究和低温样品磁学性能的研究(此类材料在室温下的磁性为反铁磁背景下的超顺磁态)。低温磁性研究表明：对五层钙钛矿Bi₆(Ti₃Fe₂)O₁₈进行A位La系元素掺杂可以改善样品的磁性能，其性能改善的机制可能与La系元素通过氧离子与磁性离子的耦合有关。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种新型的在室温以上同时具有铁电、铁磁性、五层状结构的钛铁钴酸铋陶瓷材料及其制备方法。

本发明的第一个目的是通过以下技术方案实现的，具有多铁性能的五层状结构钛铁钴酸铋陶瓷材料的化学式为Bi₆FeCoTi₃O₁₈。

本发明的第二个目的是通过以下技术方案实现的，具有多铁性能的五层状结构钛铁钴酸铋陶瓷材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：