[发明专利]一种九层层状结构钛铁钴酸铋多铁陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于多铁氧化物陶瓷材料领域，具体涉及具有多铁性能的九层层状结构钛铁钴酸铋陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

多铁性材料是指在某个温区内，同时表现出铁电序和铁磁/反铁磁序，且彼此之间存在某种耦合的材料。这种材料日益受到瞩目，这是因为它们可以广泛用于铁电和磁性设备的研发上，而更为重要的是由于部分材料内部可提供磁电之间的耦合，从而为设备的设计和应用提供附加的一个自由度，因而在新兴的自旋电子学、多态信息存储、电驱动铁磁谐振器及磁调控压电传感器上表现出极为诱人的应用前景。

中国《硅酸盐学报》(2011年3月,第39卷,第3期,550-558页)报道了对于ABO₃钙钛矿型铁电材料的研究。大多数单相材料都是反铁磁材料，而且存在着磁电效应弱、工作温度低（居里温度或者尼尔温度远远低于室温）的缺点，因此缺乏足够的应用前景。单相磁电材料中唯一的例外是BiFeO₃，其尼尔温度为1100K，铁电居里温度超过750K，是仅有的室温磁电材料。但BiFeO₃也是反铁磁材料，而且长期以来由于制备技术的限制，人们无法得到具有良好绝缘性的块材，从而无法测试其本征铁电性能。报道同时指出，以BiFeO₃和BiMnO₃为原型发展起来的双钙钛矿型材料因其B位可用两种具有d⁰电子结构的磁性离子进行耦合从而改善铁磁性能而备受关注，但这类材料的合成必须在高压条件下进行，不仅容易产生杂相，而且很难做到使其B位离子具有较好的有序性，尤其漏电流较大、铁电性和铁磁性的相变温度并不同时在室温以上等缺点严重阻碍了实用化的进程。

中国《科学通报》(2008年,第53卷,第10期,1098-1135页)介绍了新的研究热点——奥利维里斯（Aurivillius）型层状材料，其结构和性能随层数的不同发生变化，一方面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；另一方面，随着磁性单元的增多，样品的磁学性能也将得到增强。但层数越多，制备难度也逐渐增大。美国《应用物理学报》（Applied Physics Letters,2012年,第101卷,第1期,012402页）介绍了对于五层结构的这种材料进行的深入研究，采用固相反应法得到样品，但因需要球磨，导致反应温度高（通常为1000℃左右），实验周期长（通常超过40小时），且颗粒大、不均匀、易团聚。目前还没有见到有七层及以上层状结构样品性能方面研究的公开报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有多铁性能的九层层状结构钛铁钴酸铋陶瓷及其制备方法，以优化Aurivillius型层状陶瓷的铁电性能和铁磁性能。

本发明的具有多铁性能的九层层状结构钛铁钴酸铋陶瓷，其特征在于化学式为Bi₁₀Fe_6-xCo_xTi₃O₃₀，其结构为2个铋氧层（（Bi₂O₂）²⁺）之间夹着3个钛氧（Ti-O）八面体和6个铁氧（Fe-O）八面体，其中部分Fe被Co取代。

本发明的具有多铁性能的九层层状结构钛铁钴酸铋陶的制备方法，其特征在于：将钛酸酯、硝酸铋、硝酸铁与硝酸钴按摩尔比3:10:(6-x):x溶于硝酸水溶液，加入由乙二胺四乙酸和柠檬酸组成的络合剂，其加入量按使络合剂中的乙二胺四乙酸、柠檬酸与该溶液中所含金属离子的摩尔比为0.5-1:1:1；将溶液蒸干，所得粉体先在700-800℃预烧以除去有机物，再将该预烧过的粉体压片成型后在800-1100℃烧结5-10小时，得到目标产物。

所述烧结，可采用马弗炉烧结或热压炉烧结。