[发明专利]一种厘米级纯相BiFeO3单晶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料制备工艺技术领域，具体地涉及使用助熔剂方法生长形状规则、最大尺寸达厘米级的纯相室温多铁性化合物BiFeO₃的单晶生长方法。

背景技术

铁酸铋(化学式BiFeO₃、简称BFO)，属极少数在室温即同时具备磁性及铁电性的单相多铁性材料之一，铁电转变居里温度及反铁磁转变温度分别为825℃与367℃。近些年的研究表明BFO有可能在将来被广泛应用于高密低损存储、传感器、光伏、光催化等高新技术领域，因此BFO引起科学界的广泛关注，已经成为凝聚态物理、固体化学与材料学等学科的研究热点。

由于BFO属于非同成分熔化化合物、形核难以控制而且易层状生长，长期以来BFO的块状单晶制备一直未见明显突破，生长出厘米级的BFO块状单晶并非易事。瑞士日内瓦大学的Munoz博士在其1986年的博士论文中公布使用白金坩埚制备出最长1.5厘米的树叶状BFO晶体，不过晶体形状非常不规则，因而难以对晶体进行切割、定向并制造成器件予以应用。美国加州大学的研究者近期公布一个直径6厘米的白金坩埚中最大尺度约4厘米声称是BFO晶体的照片(参见《Physics Today》杂志，vol.63，38-43，2010)，不过未见其制备方法的公布介绍，而且除此照片外未见其他任何显示其为纯相BFO的证据。因此形状规则的厘米级纯相BFO单晶的制备技术目前是制约BFO走向大规模应用的瓶颈之一。另外，迄今公布的厘米级BFO单晶的制备技术中白金坩埚是不可缺少的工具，而BFO晶体生长中的关键元素Bi在单晶制备的高温条件下对贵重金属白金坩埚腐蚀严重，造成BFO晶体生长的成本异常高昂。因此改进BFO单晶的制备工艺，以较低成本获得形状规则尺寸超过厘米级的纯相BFO单晶是将BFO推向大规模应用的关键步骤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厘米级纯相BiFeO₃单晶的制备方法，以解决形状规则大尺寸纯相BFO单晶制备问题。

为实现上述目的，本发明提供的厘米级纯相BiFeO₃单晶的制备方法，使用高温溶液震荡选晶法控制其形核及生长过程，经过多轮升降温，促使尺寸较小的晶核熔化而保留尺寸较大的晶核以最终获得BiFeO₃单晶；其制备步骤为：

a)将Fe₂O₃与Bi₂O₃两种原料按照Fe₂O₃占总量摩尔比为16-18％的配方称量混匀后放入晶体生长炉中；

b)晶体生长炉的升温速率为20-40℃/h，将温度升至825℃以上(较佳地是825-850℃)，并保温；

c)以0.1-0.5℃/h的速率降温，至熔体表面出现晶核时以0.1-0.5℃/h的速率升温，至晶核减少至一个时再以0.1-0.5℃/h的速率降温，至晶核数目增多时再以0.1-0.5℃/h的速率升温，当晶核数目再次减少至一个时再以0.01-0.1℃/h的速率降温维持BFO单晶的稳定生长，直至其生长停止；

d)晶体生长完全且完全凝固后以8-10℃/h的速率将晶体生长炉冷却至室温；

e)取出晶体清洗后即得到纯相BiFeO₃单晶。

所述的制备方法，其中，两种原料研磨混匀后置于白银或黄金坩埚放入晶体生长炉中。

所述的制备方法，其中，两种原料使用玛瑙研钵研磨混匀。

本发明的主要特点：

一)使用震荡选晶法控制BFO单晶生长过程，使BFO晶核数目大大减少，为大尺寸BFO单晶的生长提供了必要条件；

二)使用白银或黄金作为坩埚材料，减少高温下熔体与坩埚之间的反应。

三)本发明利用在白银或黄金坩埚中采用震荡选晶方法，获得形状规则厚度均匀的厘米级纯相BFO单晶，而且其制备成本相对较低。

附图说明

图1是本发明所述利用震荡选晶法温度控制示意图。

图2是本发明实施实例1获得BFO单晶的照片。

图3是本发明实施实例1获得BFO单晶研粉的X射线衍射谱图与标准BFO谱图的对照结果。

图4是本发明实施实例1获得BFO单晶块体的摇摆X射线衍射结果，其中a)为普通X射线衍射谱图，b)与c)分别为赝立方(001)与(002)衍射峰的摇摆扫描曲线。

图5是本发明实施实例2获得BFO单晶的照片。