[发明专利]一种铁酸铋基纳米陶瓷及制备方法

说明书

本发明公开了一种铁酸铋基纳米陶瓷，其主要组成成分的化学式为Bi_0.8Gd_0.2Fe_1‑xTi_xO₃，其中x的值为Ti⁴⁺的掺杂比例，0.01≤x≤0.1，Bi_0.8Gd_0.2Fe_1‑xTi_xO₃的物相为正交相。打破了铁酸铋基陶瓷的螺旋周期，改善了铁酸铋陶瓷的铁磁性和铁电性，降低了介电损耗和漏电流。本发明还公开了一种上述铁酸铋基纳米陶瓷的制备方法，包括以下步骤：称取铋源、铁源、钆源和和钛源，混合溶解于有机溶剂中，配置混合溶液，加入添加剂，搅拌得溶胶；将溶胶干燥，精细研磨得纳米粉体；将纳米粉体填入石墨模具中，等离子烧结，抛磨除去表面的碳纸，退火，得铁酸铋基纳米陶瓷。采用等离子烧结，提高了产物的致密度，从而使铁磁性得到增强，并促进了铁酸铋基纳米陶瓷中正交相的产生。

技术领域

本发明涉及无极非金属材料制备技术领域，特别是涉及一种铁酸铋基纳米陶瓷及制备方法。

背景技术

铁酸铋(BiFeO₃，BFO)，是一种扭曲的三角钙钛矿结构，具有较高的居里温度、尼尔温度和较大的剩余极化温度，在铁电随机存储器、自旋电子器件、磁电存储单元、光电器件等领域具有很好的应用前景。

在铁酸铋中，Bi元素高温下易挥发，不易生成纯相，Fe元素易变价产生Fe²⁺，导致电子在Fe²⁺/Fe³⁺之间跳跃，使体系的介电损耗过大，且其自身结构存在周期为62nm的非对称螺旋结构，因而体系宏观上反映出反铁磁性，体系的宏观磁性较弱。对于上述情形，可通过向铁酸铋中掺杂其他元素以得到改善，现有技术中有通过向铁酸铋陶瓷中加入镧系元素(La、Dy、Ce和Nd)、Ba或Cr，显著提高了铁酸铋陶瓷的铁磁性。

虽然现有技术提高了铁酸铋陶瓷的铁磁性，但当掺杂没有改变其反铁磁结构，漏电流较大，同时，由于现有技术中的掺杂元素，恶化了其铁电性，铁酸铋陶瓷的剩余极化强度明显降低，部分条件下剩余极化强度仅为1μC/cm²。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种铁磁性和铁电性良好的铁酸铋基纳米陶瓷，且具有更低的介电损耗和漏电流。

一种铁酸铋基纳米陶瓷，其主要组成成分的化学式为Bi_0.8Gd_0.2Fe_1-xTi_xO₃，其中x的值为Ti⁴⁺的掺杂比例，0.01≤x≤0.1，Bi_0.8Gd_0.2Fe_1-xTi_xO₃的物相为正交相。

根据本发明提出的铁酸铋基纳米陶瓷，采用Gd和Ti对铁酸铋陶瓷掺杂，且掺杂后的产物为正交相，打破了铁酸铋基陶瓷的螺旋周期，改善了铁酸铋陶瓷的铁磁性和铁电性，降低了介电损耗和漏电流。

本发明的另一个目的在于提出一种上述铁酸铋基纳米陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)根据掺杂元素的摩尔比称取铋源、铁源、钆源和和钛源，混合溶解于有机溶剂中，配置为浓度0.05～0.2mol/L的混合溶液；

(2)向混合溶液中加入添加剂，添加剂与混合溶液的摩尔比为0.5～2:1，搅拌3～5小时，得溶胶；

(3)将溶胶干燥10～15小时，干燥温度为100～150℃，精细研磨，得纳米粉体；

(4)将纳米粉体填入石墨模具中，对纳米粉体进行等离子烧结，抛磨除去表面的碳纸，退火，得铁酸铋基纳米陶瓷。