[发明专利]一种Aurivillius相结构的钛铁酸铋多铁性陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及多铁性材料、物理与器件技术领域，具体涉及一种Aurivillius相结构的钛铁酸铋体系(Bi₅Ti₃T_mO₁₅)陶瓷材料及其制备方法，以及掺杂对体系物理特性的影响。

背景技术

多铁材料是指同时具有铁磁、铁电和铁弹序的多功能化合物材料。多铁材料含有丰富的基本物理信息，如铁电学、磁学、强关联电子物理和量子调控等；另外，这些物理序参量之间的相互耦合调控将有助于电子器件向微型化、集成化和多功能化延伸。因此，多铁材料已成为当前一个国际前沿研究领域。

铋层状结构的Aurivillius化合物在原子尺度上是天然超晶格结构，具有铁电和压电性、高居里温度(T_c)、抗疲劳性和环境友好等特点，而且可以在量子尺度下调控磁电效应且极大地降低了材料的漏电缺陷。该单相多铁性材料是n层钙钛矿结构(A_n-1B_nO_3n+1)^2-夹在两层类萤石结构(A₂O₂)²⁺中的一种三明治天然超晶格。其中A为Na，Ca，Ba，Bi或RE(稀土元素)等1-3价阳离子或其混合物，B为Ti，Fe，Mn，Cr或Mo等3-6价阳离子或其混合物，n表示在类钙钛矿结构中BO₆氧八面体的个数，阳离子A处在8个BO₆八面体所围成的中心位置。这种多铁材料不但可以有效地利用铋氧层的绝缘作用来抑制磁性单元由于氧空位和金属变价导致的漏电流，使得铁电性增强，而且多铁性分别来源于铁电单元和多铁单元，所以在铁电性增强的同时，铁磁性也有一定增强。近些来，这类材料体系受到广泛的关注，利用各种方法制备出不同中形式的Aurivillius材料体系，如薄膜，块体以及纳米结构的材料，并研究其磁学、电学、光学等物理特性。

我们所发明的的固相烧结法所用的设备成本低廉，可以批量生产，反应条件的范围比较宽。更为重要的是，通过T_m位掺杂可调节BTTO多铁性材料的磁序，实现铁电和铁磁性共存，及磁序和铁电序间的耦合作用，且能实现多玻璃态(玻璃态和弛豫铁电体行为)行为等新的物理效应。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有Aurivillius相结构的四层Bi₅Ti₃T_mO₁₅(缩写为BTTO，其中T_m为Fe，Mn，Co，Cr或Ni等过渡金属)单相多铁性材料及其制备方法。本发明所提供的多铁性材料Bi₅Ti₃T_mO₁₅的结构，是一种四层钙钛矿结构(Bi₄Ti₃T_mO₁₃)^2-夹在两层类萤石结构(Bi₂O₂)²⁺中的一种三明治天然超晶格。其化学式为Bi₅Ti₃T_mO₁₅，其中，T_m为Fe、Mn、Co、Cr或Ni等过渡金属元素之一种或两种混合，其组分比可调，呈现出一定的固溶性。

本发明中，其片层型晶粒大小为1-5μm，厚度为50-300nm。本发明具有Aurivillius相结构的四层Bi₅Ti₃T_mO₁₅(缩写为BTTO，其中T_m为Fe，Mn，Co，Cr或Ni等过渡金属)单相多铁性材料，Aurivillius相片状晶粒大小为1～5μm，厚度为200～500nm。T_m可以是过渡金属元素的一种或两种，且其组分比可调，呈现出一定的固溶性。因此，在该体系中，可实现铁电和铁磁性共存，及磁序和铁电序间的耦合作用，且极有可能实现多玻璃态(自旋玻璃态和弛豫铁电体行为)行为等新的物理效应。

本发明还提供了一种Aurivillius相结构的钛铁酸铋体系陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：