[发明专利]层状钙钛矿结构多铁材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种层状钙钛矿结构多铁材料及其制备方法。

背景技术

多铁材料的概念由瑞士的Schmid于1994年提出，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，比如铁电性，铁磁性和铁弹性。这类材料在一定温度下同时存在自发的铁电序和铁磁序，正是它们的同时存在引起了磁电耦合效应，使多铁材料具有某些特殊的物理性质，引发了若干新的、有意义的物理现象，如：在磁场的作用下产生电极化或者诱导铁电相变；在电场作用下产生磁极化或者诱导铁磁相变；在Curie温度铁磁相变点附近产生介电常数的突变，从而在新兴的自旋电子器件、多态存储器、换能器和传感器方面表现出极为诱人的前景。

其中，BiFeO₃是多铁材料的典型代表，它是少数在室温下可以同时呈现铁磁性和铁电性的单相多铁材料之一，为多态存储器和传感器的发展提供了基础，具有良好的应用前景，但是制备BiFeO₃纯相材料非常困难，且样品中较高的氧空位浓度和低价Fe²⁺离子的存在容易导致高漏导，从而破坏其铁电性能；另外，其在室温下的G型反铁磁序限制了磁学性能，这两点极大的限制了BiFeO₃的应用。铋层状钙钛矿结构，即Aurivillius相，其具有铁电性，是2个(Bi₂O₂)²⁺层之间夹n层BO₆八面体构成的钙钛矿层形成的类三明治结构，其中钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂)、钽酸锶铋(SrBi₂Ta₂O₉)和钛酸锶铋(SrBi₄Ti₄O₁₅)等材料都是典型的Aurivillius相铁电材料，具有高的居里温度点和大的自发极化，这种强的铁电性被认为是来自Bi³⁺离子的6s²孤电子对。

现有技术在结合了BiFeO₃和铋层状钙钛矿结构的优缺点的基础上，采用单步合成法，以铁电性金属和铁磁性金属的氧化物或其硝酸盐、碳酸盐等为原料，制备得到了同时具有铁电性和铁磁性的铋层状钙钛矿结构多铁陶瓷材料，但是这种方法容易引起第二相和晶体缺陷的产生，合成的这类层状钙钛矿多铁材料，由于磁性离子的多价态性和Bi元素挥发造成的氧空位会引起材料的漏电流现象，使得制备的多铁材料的铁电性远不如母体铁电材料的铁电性能。如文献H.Irie and M.Miyayama.Applied Physics Letters,79(2):251-253(2001)制备的钛酸锶钡单晶只可获得29μC/cm²的剩余极化；文献S.E.Cummins,and L.E.Cross.Journal of Applied Physics,39(5):2268-2274(1968)制备的钛酸铋单晶也只可获得50μC/cm²的饱和极化。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种层状钙钛矿结构多铁材料及其制备方法，制备的多铁材料具有良好的铁电性能。

本发明提供了一种层状钙钛矿结构多铁材料的制备方法，包括：

将铋层状钙钛矿结构铁电材料与含过渡金属元素的磁性材料在去离子水或乙醇中进行球磨混合、烘干、预烧成相得到层状钙钛矿结构多铁材料；

所述铋层状钙钛矿结构铁电材料具有式（I）所示的分子式：

(Bi₂O₂)²⁺(A_n-1B_nO_3n+1)^2-，式（I）；

其中A选自Na、K、Ca、Sr、Ba、Pb、Bi、La、Y、Gd、Pr中的任意一种或几种，B选自Ti、Nb、W、Ta中的任意一种或几种，n为正整数。

优选的，所述铋层状钙钛矿结构铁电材料按照以下方法制备：

将铋源化合物、可溶性盐和络合剂溶解于硝酸中，调节其pH值为4～7，预烧成相得到铋层状钙钛矿结构铁电材料；