[发明专利]一种铋层状结构Bi4+nTi3FenO12+3n晶体的制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及多铁性功能晶体材料制备领域，具体涉及一种铋层状结构Bi_4+nTi₃Fe_nO_12+3n晶体的微浮区制备工艺。

背景技术

多铁性材料是指在一定温度下同时存在两种或者两种以上铁电性、铁磁性和铁弹性有序态的一类化合物。其中，最有研究意义和使用价值的是同时具有铁电性和磁性的多铁性磁电材料，这两种有序态的同时存在会使材料体系产生独特的磁电耦合效应，同时，两种有序子系统在体系内部引起的自发磁电耦合效应使得材料能够通过电场来控制其自发磁化，通过磁场来控制其自发极化。兼具铁电和铁磁性的功能材料在信息存储、微波、高压输电线路电流测量、多功能电子设备等多方面都有很大的发展潜力。目前不仅迫切需要寻找室温以上具有较大磁矩和铁电极化的多铁性材料，更重要的是，通过对本征单相多铁性材料的研究，解决铁电性和磁性共存的微观机制及相互调控的问题，以及定量解释多铁性以及铁电性和磁性的耦合。

具有Aurivillius相铋层状结构的材料是Aurivillius等学者于1949年首先发现，其结构通式为(Bi₂O₂)²⁺(A_m-1B_mO_3m+1)^2-，其中A＝Bi，B＝Ti，Nb，Ta；m表示赝钙钛矿结构的层数。研究最多的包括SrBi₂Ta₂O₉(m＝2)，Bi₄Ti₃O₁₂(m＝3)，它们是纯铁电材料，当引入Fe(或Cr,Mn,Ni…)时，通式可写作Bi_4+nTi₃Fe_nO_12+3n，也可以改写成Bi₄Ti₃O₁₂+nBiFeO₃(n＝1，2，3，5)，其中Bi₄Ti₃O₁₂是性能优异的无铅铁电材料；随着n的增大，化合物中的Fe量增加，更容易形成-Fe-O-Fe-长链，即铁的长程有序，铁磁性的形成对比于BiFeO₃的反铁磁性质将是很大的提高。不同层数的铋层状结构化合物沿c轴方向交替共生，形成一种天然的超晶格结构，共生形成的铋层状材料可以具有更好的铁电性。因此可以期待磁有序的形成及铁电性的改良将增强磁电耦合效应，提高目前单相磁电材料中较弱的磁电耦合性能。

经研究表明，Bi₅Ti₃FeO₁₅(BTFO15)多铁性薄膜初步显示了优异的磁电耦合性能，其磁电耦合系数比同种组成的陶瓷提高了4000倍，然而其机理有待进一步研究，这对今后材料设计以及多铁性起源的研究具有重要意义，由于对于单晶的研究将能最大程度的研究材料本征物性，因此对Bi_4+nTi₃Fe_nO_12+3n晶体的制备工艺进行探索具有重要意义。然而由于此类晶体生长条件复杂，对生长参数非常敏感，目前未有此类晶体的文献和专利报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铋层状结构Bi_4+nTi₃Fe_nO_12+3n晶体的制备工艺，该方法具有生长周期短，可进行实时观测等优点，制得的Bi_4+nTi₃Fe_nO_12+3n晶体均匀性好，并表现出该系列晶体完美的天然超晶格结构，可最大限度地解决多元素材料的均匀性问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种铋层状结构Bi_4+nTi₃Fe_nO_12+3n晶体的制备工艺，它包括以下方法：