[发明专利]具有多铁性能的六层状结构钛铁镍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六层状结构钛铁镍酸铋陶瓷材料及其制备方法，属于多铁氧化物陶瓷材料领域。

背景技术

多铁性材料是指材料的同一个相中包含两种及两种以上铁的基本性能，这些铁的基本性能包括铁电性（反铁电性），铁磁性（反铁磁性、亚铁磁性）和铁弹性。这种材料在一定温区内同时存在自发极化序和自旋序，并因此引起磁电耦合效应，使多铁性体具有了某些特殊的物理性质。近年来，多铁性材料逐渐成为了物理和材料学界的焦点之一，物理学家对多种有序共存于一体的现象与机理有着浓厚的兴趣，而材料学家则着重于开发这一新的多功能材料，以用于新一代电子元件的设计。到目前为止，在已发现的多铁材料中，具有简单钙钛矿ABO₃型结构的BiFeO₃是一种环境友好型材料，重要的是他具有远高于室温的铁电Curie温度（又称居里温度或磁性转变点）和反铁磁Neel温度（尼尔温度），因此备受关注。但BFO材料，无论是陶瓷还是薄膜形态，都有一些难以克服的缺点，如介电损耗较大，漏电流较大，铁电剩余极化较小，矫顽场较大和其非均匀的磁性自旋结构等。所以目前对该种材料主要集中于基础研究，但其潜在的巨大的商业应用前景是不容忽视的。

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。所以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，在这类材料中双钙钛矿材料得到了人们广泛的重视。研究发现，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。具有钙钛矿结构的Aurivillius型（Aurivillius在1949年发现这种层状结构的多铁性材料所以把这种结构成为Aurivillius型）层状材料以其独特的晶体结构和性能，近年来得到了较为广泛的重视。Aurivillius型层状多铁材料的结构式可以写成：Bi₂A_m-1B_mO_3m+3，具体到本发明的体系是Bi₂Bi_m-1Fe_m-3Ti₃O_3m+3,或者写为Bi₂O₂+Bi₄Ti₃O₁₂（BTO）+nBiMO₃（n=1,2，…，M为磁性离子），即材料可以看成由三层具有钙钛矿结构的铁电材料BTO与具有一个或多个磁性单元的离子团BiFeO₃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（Fe-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。

发明内容

为了优化Aurivillius型层状陶瓷的铁电性能和铁磁性能，本发明的目的是提供一种具有多铁性能的六层状结构铁钛镍酸铋陶瓷材料。

本发明的另一目的是提供制备上述材料的方法。

本发明的方案如下：

本发明提供了一种具有多铁性能的六层状结构铁钛镍酸铋陶瓷材料，其化学式为Bi₇Fe_3-xNi_xTi₃O₂₁(BFNT)，其中x的范围是0<x<3。优选的，所述x的范围为0.5≤x≤2。

该材料具有六层类钙钛矿结构，即在铋氧层（（Bi₂O₂）²⁺）之间夹着3个钛氧（Ti-O）八面体、x个铁氧（Fe-O）八面体、和3-x个镍氧（Ni-O）八面体。该材料在室温以上同时具有铁电性和铁磁性，且漏电流较小，铁磁性可观，为在信息存储、谐振、传感等方面的应用提供了可能。

进一步地，本发明提供了一种制备具有多铁性能的六层状结构铁钛镍酸铋陶瓷材料的方法，其包括如下步骤：