[发明专利]一种铋层状结构BTXO晶体及其制备方法

说明书

本发明涉及一种铋层状结构BTXO晶体及其制备方法，所述BTXO化学式为Bi₅Ti₃XO₁₅，其中X＝Mn，Cu，Ni，V，并且所述铋层状结构BTXO晶体具有天然超晶格结构。其制备方法为：1)按BTXO的化学计量比进行配料，将原料研磨并混合均匀，利用压料机压实成块，然后进行烧结得到多晶料；2)对多晶料进行切割、打磨得到晶体生长预制棒；3)将所得晶体生长预制棒放入铂金管内，然后置于晶体生长炉中，在氩气气氛下加热至晶体生长预制棒熔点温度，然后从晶体生长预制棒下方插入晶种，以1℃/min的速率降温20℃后下拉晶种进行晶体生长，晶体生长结束后保温1～2h，冷却后取出得到铋层状结构BTXO晶体。

技术领域

本发明涉及多铁性晶体材料技术领域，具体涉及一种铋层状结构晶体Bi₅Ti₃XO₁₅(X＝Mn，Cu，Ni，V，简称BTXO)及其制备方法。

背景技术

铁电材料具有极化有序特性及机电耦合效应，被广泛应用于驱动器、传感器、光学器件以及微机电系统中。铁磁材料则具有自旋有序的特性，某些铁磁体更显示出巨磁阻效应或巨磁致伸缩效应，使其成为信息存储、能量转换、传感、驱动等领域不可或缺的功能材料。多铁性材料是指在一定温度下同时在铁电性、铁磁性和铁弹性中两种以上具有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铁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，使多铁性材料具有丰富的物理性质。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，从而具有巨大的应用前景，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应用潜力。

1949年，Aurivillius首次提出铋层状结构多铁性材料，该类材料也被称为Aurivillius相结构化合物。铋层状结构多铁性材料呈天然超晶格结构，可在原子尺度内研究磁电效应的机制，也很好地防止了复合多铁性材料中界面死层、扩散及界面互反应等因素对磁电效应的影响，是一类重要的多铁性材料，铋层状结构多铁性材料的通式可写为：Bi_4+nTi₃X_nO_12+3n(n＝1,2,3,5)，也可以改写成(Bi₂O₂)²⁺(A_m-1B_mO_3m+1)^2-或者Bi₄Ti₃O₁₂+nBiXO₃，其中，A＝Bi，B＝Ti,Nb,Ta，m表示赝钙钛矿结构(磁性离子掺入于钙钛矿结构ABO₃中的B位)的层数，X＝Cu,Cr,Fe,Mn,Ni。Aurivillius相结构化合物中研究最多的是铁电体，例如SrBi₂Ta₂O₉(m＝2)、Bi₄Ti₃O₁₂(m＝3)，其中Bi₄Ti₃O₁₂是性能优异的无铅铁电材料。当引入磁性粒子Cu,Cr,Fe,Mn,Ni，取n＝1时通式为BTXO，磁性由BiXO₃中的磁性元素X提供。铋层状结构化合物Bi₄Ti₃XO₁₂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。因此可以期待得到单相多铁性单晶。

Aurivillius化合物的形态有很多种，与陶瓷相比，单晶具有更好的结晶性，完美的超晶格结构使得材料的磁和电具有更好的耦合性，但此类晶体生长条件复杂，对生长参数非常敏感，所以难以通过常规方法获得。本发明尝试采用微浮区技术探索这类晶体的生长。

发明内容