多铁性材料haohao
多核羟基氧化铁
多核羟基氧化铁1. 引言多核羟基氧化铁（Magnetite, Fe3O4）是一种重要的磁性材料，具有广泛的应用前景。
它由铁离子和氧离子组成，具有高比表面积、优异的磁性能以及良好的生物相容性。
在医学、环境科学、能源等领域，多核羟基氧化铁都发挥着重要作用。
本文将详细介绍多核羟基氧化铁的合成方法、物理化学性质以及在不同领域中的应用。
2. 合成方法多核羟基氧化铁可以通过多种合成方法得到，常见的包括热分解法、共沉淀法、水热法等。
2.1 热分解法热分解法是一种常用的制备多核羟基氧化铁的方法。
该方法通过将金属盐溶液进行高温处理，使其发生分解反应生成固态产物。
具体步骤如下： 1. 预先准备含有金属盐（如FeCl2和FeCl3）溶液； 2. 将溶液加热至一定温度，使金属盐发生分解反应； 3. 控制反应时间和温度，得到多核羟基氧化铁颗粒。
2.2 共沉淀法共沉淀法是另一种常用的合成多核羟基氧化铁的方法。
该方法通过将两种或多种金属盐溶液混合并加入还原剂，使金属离子还原成金属颗粒并沉淀下来。
具体步骤如下： 1. 准备含有两种或多种金属盐（如FeCl2和FeCl3）溶液； 2. 将溶液混合，并加入适量的还原剂（如氢氧化钠）； 3. 搅拌溶液，并控制反应时间和温度； 4. 沉淀下来的固体即为多核羟基氧化铁。
2.3 水热法水热法是一种在高温高压下进行反应的合成方法。
该方法可以得到纳米级别的多核羟基氧化铁颗粒。
具体步骤如下： 1. 预先准备含有金属盐（如FeCl2和FeCl3）溶液； 2. 将溶液倒入高压容器中，并加入适量的还原剂和表面活性剂； 3. 将容器密封，加热至一定温度并保持一定时间； 4. 冷却容器，并取出沉淀的多核羟基氧化铁。
3. 物理化学性质多核羟基氧化铁具有许多独特的物理化学性质，包括磁性、光学性质等。
3.1 磁性多核羟基氧化铁是一种典型的磁性材料，具有高磁饱和度和低剩余磁感应强度。
它可以在外加磁场下实现自发磁化，并且具有较强的顺磁响应。
多铁简述
并预言了在LN型的结构多铁材料中，外加电场引起的极化反转会诱使磁化发生180的反转
将过渡金属掺杂到铁电材料中，将有可能实现铁电体中的磁性。
单相多铁材料在自选电子器件等方面的应用，吸引了大量的研究，但是当前能达到室温以上的单相多铁材料只有BiFeO3，该材料制备工艺要求苛刻，容易形成第二相或者漏and B G， Lynn J W， Laver M， et al. Origin of electric -field -induced magnetization in multiferroic HoMnO3［J］. Phys Rev Lett， 2010， 104（14）：147204.
Aimi等在高温高压的环境中用固相合成的方法制备了LiNbO3型的MnMO3(M=Ti,Sn)。发现这两种化合物室温下均具有LiNbO3型的结构，并且在对MnTiO3和MnSnO3分别在25K和50K观察到了弱的铁磁性，这种铁磁性是由于反铁磁交互作用产生的。在这两种化合物的铁磁转变温度处有反常的介电常数。并研究了磁电性能之间的相互关系，结果显示具有磁性阳离子的LiNbO3型化合物可作为多铁材料的候选材料。
多铁性材料
（申请工学硕士学位论文）多铁性材料的制备及性能表征培养单位：材料复合新技术国家重点实验室学科专业：材料加工工程研究生：王敏指导教师：谭国龙教授2011年5月分类号密级UDC 学校代码 10497题 目 多铁性材料的制备及性能表征 英 文题 目 Preparation and characterization of multiferroic materials研究生姓名 王敏姓名 谭国龙 职称 教授 学位 博 士指导教师单位名称 国家重点实验室 邮编 430070申请学位级别 工学硕士 学科专业名称 材料加工工程论文提交日期 2011年5月 论文答辩日期 2011年5月学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期答辩委员会主席评阅人2011年5月独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签 名： 日 期：学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。
同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。
（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）： 导师（签名）： 日期摘要多铁性材料是最近几年发展起来的一类磁电功能材料，它集铁磁性和铁电性于一体，并且两者之间存在耦合效应，因而在信息储存、自旋电子器件、磁传感器、电容-电感一体化器件以及微波技术领域有着广泛的应用前景。
多铁性材料
大部分材料的磁化和铁电极化都很小
虽然已经发现了若干多铁性材料,但其中大部分材料的
磁化和铁电极化都很小。例如，铁电极化比典型的现为反铁磁性或弱磁性， 也严重阻碍实际应用。更为严重的是，目前发现的多 铁性材料绝大部分只在极低温下才表现出铁电性和磁 性的共存，这给实际应用带来了巨大的困难。目前迫 切需要寻找室温下表现出较大磁矩和铁电极化的材料。 一方面要深入研究现有机制，探讨现有机制下室温多 铁性出现的可能性，另一方面也还需要寻找新的多铁 性的机制。
至于多铁性聚合物，磁电响应已大到可以直接利用其磁电
转换信号，来制作传感器，可调谐过滤器和数位存储器等 组件。可以这么说，多铁性聚合物已经能看到其市场前景。 但是，现在大部份的应用都还是基于块材或厚膜样品，无 法很好地整合到现有的组件中去。多铁性聚合物薄膜的制 备仍存在一些问题，其中之一是基板的钳夹效果，部份抵 消了压电或磁致伸缩所产生的应力，传统的层层水平相迭 的构造已不再适合，需要有新突破。最新的发展是设法生 长垂直排列的多铁性纳米聚合物薄膜。这样，应力是在垂 直于基板的方向，可避免基板钳夹的影响。如果能适当地 控制两相及基板间的应力，通过三维磊晶的效果，这种垂 直纳米结构聚合物是可以在不少的体系中做成功的。
图1 温度为46K 时Ni3B7O13I 的磁电转换电 压输出信号之示意图﹐箭头及数字 表示信号随外加磁场变化之走向。
材料的研发与制备要有重大的突破
现有的多铁性材料为数很少，且其中大部份是铁电反铁磁，
但铁电铁磁在实际上有更广泛的用途。对于绝大多數的多 铁性而言，其铁磁或反铁磁转变温度远低于铁电转变温度， 且低于室温。仅有的被证实的室温多铁性只有BFO，但 BFO在材料制作方面有很多问题，包括杂质相的出现和微 缺陷的形成等，造成很大的漏电流。而漏电流的加热效应 在组件实验中会造成很多假象，如在施加较大电压下会导 致偏磁场的减小，造成电场对磁场有控制的假象。目前， 就制作示范组件，验证新组件之概念而言﹐BFO是最佳的 选择之一。但其在材料制备上的难度，将会限制最终的商 业化。寻找新材料﹐特别是铁电铁磁和室温多铁性材料， 无疑是这一领域未來发展的重点之一。
28_多铁性材料的纳米尺度特性
多铁性材料的纳米尺度特性第一部分多铁性材料的基本概念 (2)第二部分纳米尺度下多铁性材料的形成 (5)第三部分纳米尺度对多铁性材料性质的影响 (8)第四部分多铁性材料的磁性特性研究 (12)第五部分多铁性材料的电性特性研究 (15)第六部分纳米尺度下多铁性材料的制备方法 (19)第七部分纳米尺度下多铁性材料的应用前景 (22)第八部分纳米尺度下多铁性材料的挑战与对策 (25)第一部分多铁性材料的基本概念多铁性材料的基本概念多铁性材料是一类具有多种铁电、铁磁和铁弹相共存的材料。
这类材料在纳米尺度上表现出独特的物理和化学性质，使其在许多高科技领域具有广泛的应用前景。
本文将对多铁性材料的基本概念进行简要介绍。
1.铁电性铁电性是指某些晶体在无外电场作用下，其内部存在自发极化的现象。
这种自发极化可以在外加电场的作用下发生可逆的翻转，从而使材料的极化强度发生改变。
铁电材料在这一过程中具有高介电常数、高电容和高能量密度等特性，因此在电子器件、光学器件和储能等领域具有广泛的应用价值。
2.铁磁性铁磁性是指某些物质在外磁场作用下，其内部原子或离子的磁矩能够有序排列的现象。
这种有序排列使材料具有高的磁导率和磁能积，从而在磁存储、磁传感和磁耦合等领域具有重要的应用价值。
3.铁弹性铁弹性是指某些材料在应力作用下，其内部结构会发生可逆的形变，而在应力消失后，这种形变可以完全恢复的现象。
这种可逆的形变特性使铁弹性材料在机械传感、能量转换和智能材料等领域具有广泛的应用前景。
4.多铁性材料的特点多铁性材料具有以下特点：（1）多种功能并存：多铁性材料在同一晶体中同时具有铁电性、铁磁性和铁弹性等多种功能，这使得它们在许多高科技领域具有广泛的应用潜力。
（2）纳米尺度效应：多铁性材料在纳米尺度上表现出独特的物理和化学性质，如尺寸效应、表面效应和量子效应等。
这些效应使得多铁性材料在纳米尺度上具有更高的性能和更广泛的应用前景。
（3）可控性强：通过调控多铁性材料的组成、结构和制备工艺等因素，可以实现对其性能的精确控制，从而满足不同应用领域的需求。
弛豫多铁性材料研究进展
弛豫多铁性材料研究进展魏永星;靳长清;曾一明【摘要】多铁性材料同时具有多种铁性(铁电性、铁磁性或铁弹性)的有序,可实现电磁信号的相互控制,成为近年来研究热点.在具有成分无序的复杂体系中,长程铁性有序有可能被打破,材料将表现出弛豫特性.我们将至少存在一种铁性弛豫特性的多铁性材料称之为弛豫多铁性材料.这类多铁性材料的极化强度(或磁化强度)在外加电场(或外加磁场)作用下响应更加灵敏,其磁电耦合机制与长程有序的多铁性材料不同.本文结合国内外最新研究成果,首先介绍了和弛豫铁性有序相关的物理概念,重点阐述了多铁性材料在铁电和铁磁双弛豫态下的磁电耦合机制;然后,详细介绍了钙钛矿结构(包括PbB1B2O3基和BiFeO3基材料)和非钙钛矿结构(包括层状Bi结构和非正常铁电体)弛豫多铁性材料的研究进展;最后,对该领域亟待解决的问题进行了展望.%The multiferroic material, which shows the coexistences of multi ferroic orders (ferroelectricity, ferro-magnetism or ferroelasticity), can realize the mutual control of the electric and magnetic signals, and becomes one of the hottest research topics. The long-range ferroelectric or ferromagnetic order may be broken in compositionally disordered systems. In this situation, it is posssible that materials display relaxor behavior. Multiferroic materials pos-sessiong at least one ferroic relaxor character can be named as relaxor multiferroics. The polarization (or magnetiza-tion) is very sensitive to the applied electric field (or magnetic field). Besides, the magnetoelectric coupling effect of relaxor multiferroics is different from that of multiferroics with long ferroic orders. In this paper, the most recent and important theoretical and experimental advances inthis new research field are reviewed. Firstly, basic physical con-cepts of the relaxor ferroic orders and the different mechanism of the magnetoelectric coupling effect on materials are introduced with the coexistence of relaxor ferroelectric ordering and relaxor magnetic ordering. Then, the recent re-searches on two sorts of the relaxor multiferroics, including perovskite (PbB1B2O3based and BiFeO3based) and non-perovskite (Bi-layered based and improperly ferroelectric based) structural materials, are reviewed. Finally, the further development of relaxor multiferroics is prospected.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2017(032)010【总页数】9页(P1009-1017)【关键词】弛豫性;多铁性材料;磁电耦合;纳米存储器件【作者】魏永星;靳长清;曾一明【作者单位】西安工业大学材料与化工学院, 西安710021;西安工业大学材料与化工学院, 西安710021;昆明贵金属研究所, 昆明650106【正文语种】中文【中图分类】TQ174多铁性材料是指同时存在两种或两种以上铁性有序(铁电序、铁磁序、铁弹性)的材料, 可以实现电信号和磁信号的交互控制, 在传感器、能量收集转换器、可调微波器件和新型存储器等领域具有巨大的应用前景[1-4]。
多铁性材料
一，简述
多铁性材料这一概念是1994年瑞士的Schmid 明确提出的，多铁性材料(mutliferroic)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， 是一种集电与磁性于一身的多功能材料。常见的 多铁性材料有BiFeO3、TbMnO3、Ca2CoMnO6等。
铁的基本性能包括：
该实验室科研人员利用两个新的纯手性Schiff 碱多齿配体（R-和S-H3L，见 图1）去构筑得到了由呈现C3对称的达到纳米尺度的二十二核锰簇
{[MnIII3MnII(O)(H2O)3(L)3]4[MnIII6Cl4O4]}做阳离子而呈现C3对称的三核锰簇 [MnIII3O(H2O)3(L)3] 做阴离子的两单元分立的纯手性混合价锰簇合物（R-1和 S-1，其金属骨架如图2所示），这两个纯手性化合物均结晶于纯手性空间群
R3，属于极性点群3，能满足产生铁电性的必要条件，而且它们还易溶于有 机溶剂，CD谱也表明了它们是一对对映异构体。测试分析表明它们不但呈现
铁磁性，而且在室温就观察到电滞回线（图3），交流变温电介常数的测定证 实了它们是铁电体。它们是首例铁磁性和铁电性共存的纳米尺度混合价锰簇
合物。
这种通过手性Schiff 碱配体去构筑极性锰簇合物的方法，为多铁性分子材料 的研究开辟了新的途径和提供了新的思路。（来源：中科院化学研究所）
到了2000年，加州大学圣芭芭拉分校的Nicola Hill(现随夫姓 Spaldin，现瑞士苏黎世理工学院)指出磁电耦合材料如此稀少的 本质原因是因为磁性需要不满壳层的电子而铁电性需要满壳层的 电子，因此两者本质上是互相排斥的。磁与电在固体中水火不容！ 这无疑像一张病危通知书，预示着固体中的磁电耦合走到了绝路。
二，基本性能介绍
多铁性即具有两种或两种以上初级铁性体 的特征。
单相多铁材料中的电子自旋
单相多铁材料中的电子自旋简介摘要：多铁性材料是指同时具有两种或者两种以上铁性序参量的物质。
多铁性材料中出色的磁电耦合效应，使其在自旋电子器件和多态存储等方面有着广阔的应用前景。
本文简单介绍多铁材料的定义与分类以及传统钙钛矿多铁材料中的电子自旋构型，重点阐述具有螺旋自旋序的磁致多铁材料。
关键词：多铁材料铁磁性螺旋序电子自旋引言1959年Dzyaloshinskii推断Cr2O3材料中存在磁电效应，随后不久便被Astrov 用实验所证实。
自此人们发现了第一个磁电耦合材料，多铁的概念开始出现，并开始了对所谓多铁材料的研究。
但是迄今为止发现的单相多铁性材料仍比较稀少，这主要是由于多铁性的产生会受到诸多因素的限制。
即使是现已被发现的单相多铁材料，其磁电耦合效应相较于实际应用来说也并不理想。
近些年来，人们发现一些材料铁电极化直接来源于特殊磁序，即螺旋自旋序结构的多铁材料。
这些材料显示出了良好的磁电耦合特性，因此得到了人们的广泛关注。
单相多铁材料的定义与分类单相多铁材料是指同时具有两种或者两种以上铁性序参量的单相材料，即同时具有铁磁性与铁电性，或者铁磁性、铁弹性、铁电性共存。
如果晶体在一定温度范围内具有自发极化强度（无外加电场存在时的极化强度），并且自发极化强度的方向可以随外加电场的变化而变化，这类晶体我们称为铁电体，它所具有的这种性质我们称为铁电性。
在铁电居里温度以上，铁电体不发生自发极化，在居里温度以上显示顺电性（类似顺磁性）；在铁电居里温度以下，铁电体发生自发极化，晶格结构发生畸变，表现出铁电性。
铁电有序要求空间反演对称性破缺。
而铁磁性与铁电性非常类似但也有很大的不同。
如果晶体在一定范围内具有自发磁化强度（无外加磁场作用情况下），并且自发磁化矢量可以随外加磁场的变化而变化，这类晶体我们称为铁磁体，同样它所具有的这种性质我们称为铁磁性。
多铁材料按照其铁电性与磁性的起源可以分成两大类，即第一类多铁性材料与第二类多铁性。
多铁性材料磁电性质的理论综述
Engineering Equipment and Materials| 工程设备与材料 | ·97·2016年11月多铁性材料磁电性质的理论综述周 凯（装甲兵工程学院，北京 100072）摘 要：多铁性材料由于其同时具有铁电和铁磁性，部分具有铁弹性，是一种多功能新型材料。
现代社会对于仪器小型化的要求越来越高，多铁性材料是实现这一要求的重要选择。
通过其具有的磁电耦合效应实现电场和磁场的转换，可以实现新型功能器件的研制。
本文通过对多铁性材料的基本性质和应用的探讨，深入研究了进行多铁性材料磁电性质的研究中的关键理论方法。
关键词：多铁性材料；磁电性质；第一性；对称性中图分类号：TB741 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2016）11-0097-02现阶段对于多铁性材料的研究多集中于单相多铁材料和磁性诱导铁电体。
随着研究的推进，面对新的多铁性材料所表现出的性质，常规理论已不能进行很完美的解释。
由于多铁性材料在自旋电子器件和数据存储方面具有重要的应用潜力。
通过理论研究确定多铁性材料的机理并深入分析所表现出的性质，对于设计和研制新型多铁性材料具有重大而现实的意义。
1 多铁性材料的定义及应用1.1 多铁性材料的定义1994年，瑞士日内瓦大学的Schimid教授首次将多铁定义为同时存在铁电、铁磁或铁弹序等两种或者两种以上铁性序的材料，后来的研究又拓展到铁性磁涡旋的体系。
因此，通常所指的多铁性材料是指铁电与铁磁性共存的体系。
多铁性材料最为重要的性质之一是磁电祸合，简而言之就是磁性质和电性质之间相互调控，在通过电场或磁场分别实现磁化和极化的翻转是该性质的最终目的，如图1所示。
图1 铁电和铁磁性共存及相互调控1.2 多铁性材料的应用多铁性材料的应用主要集中在自旋电子器件、传感器和数据存储等方面。
铁磁性与铁电性的共存有利于实现器件小型化和多功能化，如使四态逻辑存储成为可能。
磁和电之间可能存在的祸合为多铁材料带来了额外的功能。
多铁性 (multiferroic)材料的发展及潜在应用
由於二階交叉偏微分與次序無關，所以我們有
M j Pi 0 ij H j E i
(4)
公式 (4) 所定義的 αij 即為磁電係數。在無磁場時 (H=0)，Pi=κijEj (j=x,y,z)，其中κij為電極化率(electric susceptibility) 。如 αij 與 E 和 H 無關 ( 即為線性磁電係 數)，對(4)式積分可得﹕
很有價值，所以一開始就受到特別的關注。不久實驗 即證實電域與磁域間的確存在着某種耦合，其方向可 以互相控制[11]。Ni3B7O13I在64K以下是一鐵電鐵磁 多鐵性，1966年Ascher等人用此樣品做實驗發現﹕當 外加磁場從零開始逐漸加大時，磁致電壓輸出也隨之 增加﹔但當磁場超過6kOe時，輸出電壓由正跳到負， 意味着極化方向已被磁場所反轉，整個過程如圖1所 示[11]。
Pi ij E j ij H j
同理﹕
(5)
M i ji 0 E j ij H j
(6)
圖 1 溫度為 46K 時 Ni3B7O13I 的磁電轉換電 壓輸出信號之示意圖[11]﹐箭頭及數字 表示信號隨外加磁場變化之走向。
■462■ 物理雙月刊(卅一卷五期) 2009 年十月
0 0 0
22’2’, mm2, m’m2’, m’mm 4, 4' , 4/m’, 3, 3' , 6,
6 ' , 6/m’
0 12 21 0 0 0
0 0 0
23, m’3, 432, 4' 3m’, m’3m’
0 11 0 0 0 11 0 0 11
都非常小，僅有約6 μC/cm2﹔2003年利用先進的雷射 蒸鍍法將其長成薄膜後，殘留極化提高了一個數量級
多铁性材料
铁电性：具有稳定的自发电极化P，随外加电场E变化 时表现出电滞。
铁电体典型的P-E电滞回线如图所示，同时，电滞回 线也反应了自发极化随外加电场的变化而发生的转向。
铁弹性
铁弹性是指在一定温度范围内，应力与应变关系曲 线呈现与铁磁体的磁滞回线及铁电体的电滞回线相 似特征的材料特性。
正磁电效应: 磁场 调控 电性 DP = a DH or DE = a E DH
逆磁电效应: 电场 调控 磁性 DM = a DE
铁磁—铁电 复合
强耦合：巨磁电效应 室温、低场操纵
多铁性材料的分类：
多铁材料可以简单地分为两大类 一 单相材料 （纯净物） 二 复合体系 （混合物）
研究近况：
单相材料中近年来研究较热的材料， 主要有如下几类：
到了2000年，加州大学圣芭芭拉分校的Nicola Hill(现随夫姓 Spaldin，现瑞士苏黎世理工学院)指出磁电耦合材料如此稀少的 本质原因是因为磁性需要不满壳层的电子而铁电性需要满壳层的 电子，因此两者本质上是互相排斥的。磁与电在固体中水火不容！ 这无疑像一张病危通知书，预示着固体中的磁电耦合走到了绝路。
1966 年，人们发现硼酸盐Ni3B7O13I 单晶在低于60 K 的温 度以下同时具有弱铁磁性和铁电有序，并且在这一体系中观 察到了磁电耦合效应，即外加磁场在翻转磁矩的同时也能将 电极化翻转，这一效应被称为磁电开关效应。
如图所示，这是人类历史上发现的第 一个多铁材料。
Ni3B7O13I 中的磁电开关效应
多铁性材料
一，简述
多铁性材料这一概念是1994年瑞士的Schmid 明确提出的，多铁性材料(mutliferroic)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， 是一种集电与磁性于一身的多功能材料。常见的 多铁性材料有BiFeO3、TbMnO3、Ca2CoMnO6等。
多铁性材料BiFeO3的研究
北京理工大学 材料学院 10硕1班杨伟光
contents
• 1、磁电效应与多铁材料 • 2、单相多铁性材料BiFeO3简述
磁电效应
• 与传统意义上的麦克斯韦方程组所表示的电磁耦合不同，磁 电效应所涉及的电磁耦合指的是表征介质磁学性质和介电性 质的序参量，即磁化强度（M）和电极化强度（p）之间存 在的耦合性质；基于此，外加电场若能改变介质的磁学性质 或者外加磁场能改变介质的电极化性质，称为磁电效应 (magnetoelectric effect). • 正磁电效应 P=AH • 逆磁电效应 M=AE
BFO制备
• BFO块体：普通固相烧结/快速液相烧结工艺/稀硝酸过滤快速
烧结工艺等。
• BFO薄膜：常用的制备多铁纳米薄膜材料的方法大致可以分为
物理法和化学法两大类。物理法包括激光脉冲沉积(PLD)，磁控溅射 （MS)，离子束溅射沉积（IBSD)，分子束外延（MBE)等。化学法包括 化学气相沉积(普通电化学气相沉积 (CvD)、金属有机化学气相沉积 (MoCvD)及等离子体化学气相沉积 (PECVD))，化学液相沉积(溶胶一 凝胶）及金属有机物分解法(MOD)等。
BFO简介
• 纯的BiFeO3 基材料的磁电性能比较差，需要对其进行改 善。目前改善的方法有以下四种： （1）Popov 等对BiFeO3 施加强磁场, 发现在200kOe 时， 有电子极化的突跃和线性磁电效应的出现； （2）制成薄膜材料改变其结构； （3）稀土掺杂改性； （4）与其他钙钛矿型结构的铁电材料形成互溶体系。 同时要求制成纳米材料，打破其G型反铁磁调制螺旋结构。
BFO简介
• B位掺杂 离子半径相近的，具有相似固溶体结构的B位原子掺杂 BiFe1-XRXO3 • 掺Ti:x=0.1 200KV/cm电场下漏电流密度=7.6x10-8A/cm2 （3.62x10-6)自发极化 32.5μc/cm2 剩余极化16.2 μc/cm2 原理：高价Ti有更多电子供给晶格，为了保证电中性，要 减少氧空位。 掺V/ Nb:降低氧空位 掺Co/Mn：磁性离子
Gd掺杂的多铁性陶瓷BiFeO-铁酸铋
Gd掺杂的多铁性陶瓷BiFeO铁酸铋论文导读:：是少数在室温下同时具有铁电性和铁磁性的多铁性材料之一。
是用稀土元素对A、B位进行离子掺杂,用La3+。
论文关键词：铁酸铋，多铁性材料，掺杂1 引言BiFeO3是一种具有扭曲钙钛矿结构(R3c空间群)的单相磁电材料，室温下同时具有铁电(T C=830℃)与G型反铁磁(T N=370℃)有序，是少数在室温下同时具有铁电性和铁磁性的多铁性材料之一。
BiFeO3中铁电性和铁磁性的共存使其在信息存储、磁电传感器等领域具有广阔的应用前景。
科学家虽然很早就发现了BiFeO3中铁电与铁磁性的共存态，但在传统固相反应法制备的样品中易出现Bi2Fe4O9和Bi25FeO39等杂相，致使样品的漏导增大，铁电性能降低,大大限制了其应用前景。
此外，从磁性与晶体对称性关系考虑，BiFeO3特有的自旋螺旋G型反铁磁结构，只允许弱铁磁性的产生,而同时具有较强的铁电性与铁磁性是作为新型记忆材料和电容电感一体化的关键所在，纯的BiFeO3显然不能满足这一要求，因此要BiFeO3走向应用，就必须增强其铁电性与铁磁性，同时减少其高漏导。
为了改善BiFeO3陶瓷的多铁性能,学者们主要从两个方面进行了研究:一是将BiFeO3陶瓷与其他具有强铁电性的钙钛矿材料复合（与PbTiO3、BaTiO3等[1-3]复合，形成二元或三元固溶体体系）,从而破坏其特有的自旋螺旋反铁磁结构，增强其多铁性；二是用稀土元素对A、B位进行离子掺杂,用La3+，Nd3+铁酸铋，Sm3+等[4-6]离子替代晶体中的A位Bi3+离子,或用Co3+，Ti4+，Zr4+等[7-9]磁性或非磁性离子替代B位Fe3+以抑制氧空位的生成,同时破坏其反铁磁结构,改善多铁性能。
关于Gd掺杂的BiFeO3陶瓷研究已有报道，Khomchenko等[10-13]研究发现随着掺杂量的增大，其发生了由三角钙钛矿结构向正交钙钛矿结构的转变，并给出了Bi1-x Gd x FeO3陶瓷随着掺杂量变化的磁电相图论文的格式。
30_多铁性材料的制备工艺改进
多铁性材料的制备工艺改进第一部分多铁性材料的基本概念 (2)第二部分多铁性材料的制备方法概述 (5)第三部分传统制备工艺的优缺点分析 (8)第四部分改进工艺的具体步骤介绍 (12)第五部分改进工艺对材料性能的影响 (15)第六部分改进工艺在工业应用中的前景 (19)第七部分改进工艺可能面临的挑战和问题 (23)第八部分未来多铁性材料制备工艺的发展趋势 (26)第一部分多铁性材料的基本概念多铁性材料的基本概念多铁性材料是一类具有多种铁电、铁磁和铁弹相共存的材料。
这类材料在电子、光电子、信息、能源等领域具有广泛的应用前景。
多铁性材料的研究始于 20 世纪 60 年代，随着科学技术的不断发展，多铁性材料的研究取得了显著的进展。
本文将对多铁性材料的基本概念进行简要介绍。
1.铁电性铁电性是指某些晶体在无外电场作用下，其内部存在自发极化的现象。
这种自发极化是由于晶格中的离子或分子在一定方向上的排列不对称所引起的。
当外加电场作用时，这些离子或分子会沿着电场方向重新排列，从而改变晶体的极化状态。
铁电性材料在外电场作用下，其极化强度与电场强度之间呈现非线性关系，这种现象被称为铁电效应。
2.铁磁性铁磁性是指某些物质在外磁场作用下，其内部原子或分子的磁矩有序排列的现象。
这种有序排列是由于晶格中的离子或分子之间的相互作用力所引起的。
当外加磁场作用时，这些离子或分子会沿着磁场方向重新排列，从而改变材料的磁性状态。
铁磁性材料在外磁场作用下，其磁化强度与磁场强度之间呈现线性关系，这种现象被称为磁滞效应。
3.铁弹性铁弹性是指某些材料在外应力作用下，其内部原子或分子的排列发生可逆的变化，从而导致材料的体积、形状或密度发生变化的现象。
这种可逆变化是由于晶格中的离子或分子之间的相互作用力所引起的。
当外加应力作用时，这些离子或分子会沿着应力方向重新排列，从而改变材料的弹性性能。
铁弹性材料在外应力作用下，其应变与应力之间呈现线性关系，这种现象被称为弹性效应。
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钛酸锶陶瓷材料
• 钛酸锶(SrTiO3 ) 是一种立方钙钛矿型复合 氧化物 ,在室温下 ,满足化学计量比的钛酸 锶晶体是绝缘体 ,但在强制还原或搀杂施主 金属离子的情况下可以实现半导化.钛酸锶 是重要的、新兴的电子陶瓷材料 ,具有高的 介电常数和高的折射常数 ,有显著的压电性 能 ,是重要的铁电体,有稳定的电滞性质。
单相磁电多铁性体
• 磁性阳离子部分取代ABO3钙钛矿结构氧化 物铁电体中的B位非磁性阳离子，得到了一 系列B位阳离子呈有序或者无序分布的双钙 钛矿结构的铁电磁体。磁性有序由电子自 旋的交换相互作用主导，而铁电有序由晶 格中电荷密度的重新分布造成。在钙钛矿 结构的化合物中，B-O-B键角接近180。因 此，当过渡金属离子占据B位时，它们可以 通过02-发生间接交换相互作用而有序排列。
• 在经典的铁电性理论框架中，钙钛矿晶格 中的铁电有序主要起源于A位和B位阳离子 偏离配位多面体中心的位移，从而造成正 负电荷中心不重合产生电极化。具有6s2孤 对电子结构的A位阳离子(Tl+，Pb2+，Bi3+) 亚格子和具有惰性气体电子壳层结构的B位 过渡金属离子(Ti4+，Zr4+，Nb5+，W6+， M06+)亚格子的存在有利于铁电有序的发生
• 同其块状特别是单晶材料样品相比，BST薄膜的 介电性能相差很多：更低的介电常数、更高得多 的介电损耗、较差的电绝缘性能(更高的漏电流) 等，大量研究表明其原因是多方面的，主要表现 在：由于薄膜与基片晶格常数失配而产生的界面 应变问题；薄膜与电极失配引发界面问题对BST 薄膜电学性能的影响；近界面处死层‘dead layer’的影响问题；颗粒尺寸效应对薄膜微波性能 的影响；带电缺陷附近的局部区域有氧空位也会 损害薄膜的介电性能等．
• 铁电薄膜的介电损耗主要来源于三方面： ①多声子散射有关的基本损耗； • ②剩余铁电极化区域微波场转换为声学振 荡导致损耗 • ③带电缺陷导致的损耗
• 掺杂改性：低浓度的受主掺杂能显著调节 BST薄膜的性能．通常，掺入的Mn3+、 Mn2+ ，Ni3+、Ni2+、Mg2+、A13+、 Cr3+等占据的是钙钛矿结构中的B位．随着 它们的掺杂引入，BST薄膜的介电性能能够 得到显著提高．对Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜进行 了Mg掺杂研究．随着Mg的掺入，薄膜的颗 粒尺寸减小，而且更加致密，明显降低了 薄膜的介电损耗，同时使其漏电流特性得 到大大改善
• 基本结构： • 铁电钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3)是钛酸钡 (BaTi03)与钛酸锶(SrTiO3)的固溶体，并且 钛酸钡和钛酸锶能够完好混合、相溶，而 不产生任何相凝聚．通过调节材料中的Ba ／Sr成分比，可改变材料的居里相变温度 Tc，以满足特定应用温度需要
• 钛酸锶钡属于位移型铁电体，所谓位移型 铁电体，对应的是位移型相变．即由于原 子的非谐振动，其平衡位置相对于顺电相 可以发生偏移．从而导致自发极化。 • 薄膜的制备：当前铁电钛酸锶钡薄膜的制 备方法比较常用的有PLD(脉冲激光沉积法) Rf magtletron sputtering(射频磁控溅射法)， MOCVD(金属有机化学气相沉积)、
• sol-gel(溶胶一凝胶法)等．其中前三种方法 多采用原位加热基片得到薄膜，而后一种 方法需经后退火处理。
• BST薄膜研究热点探索： • 对于BST薄膜的可调谐微波器件应用，总希 望制备的薄膜拥有尽可能高的介电常数、 优越的调谐性能以及尽可能低的介电损耗。 而BST薄膜在超高密度动态随机存储器方面 的应用则相应要求BST薄膜能够拥有：足够 低的漏电流特性；优越的介电性能，即高 的介电常数、好的绝缘性能以及低的介电 损耗。
• 实验研究现状： • 第一是SrTi03粉体的制备工艺研究；第二是SrTi03 的结构性能、形成机理及动力学研究；第三是 SrTi03基系列掺杂物的结构与性能研究;第四是以 SrTi03为载体的超导研究. • 钛酸锶粉体及薄膜的制备有多种方法主要有：固相 反应法，化学共沉淀法，分步沉淀法，水 热 法， 溶 胶—凝 胶 法，化 学 气 相 沉 积 法，溅射法， 水热电化学法和喷涂热分解法等
• 磁性： • BiFe03特有的具有空间调制的螺旋磁结构，导致 BiFe03块体在宏观磁测量中无净磁矩，即BiFe03 块体不显示弱铁磁性，通过离子掺杂(如掺杂La等) 可以有效抑制这种螺旋磁结构，从而增强其磁性。 目前增强BiFe03的磁性的通常做法有两种：①采 用离子掺杂的方式，如掺杂sr、La、Sm、Mn等 金属元素的阳离子来抑制BiFe03特有的螺旋磁结 构，改善BiFe03的磁性②通过和其它铁电体形成 固溶体也可以抑制这种螺旋磁结构，实现其磁性 的增强
Hale Waihona Puke • SrTi03晶界上有很多偏离空间电荷区域的正电荷 , 对于产生正电荷的原因 :J．C_．verbiinger认为 可能是因为晶界表面有很多钛原子(由偏析引起)， 而这些钛原子没能很好地与氧原子结合，即钛原 子的核电荷没有被中和，最终结果便是在晶界上 产生了正电荷。该晶界模型能很好地解释SrTi03 经掺杂后，其晶粒直径减小.比如，受主掺杂的原 子，它们能很顺利地插入到空间电荷区域(空间电 荷区域同时会阻止它们进入晶界内部)，形成一中 间晶界层，并同时会中和一部分晶界表面的正电 荷，使空间区域收缩，因而晶粒直径减小。
• 钛酸锶的物理特性： • 室温下，SrTiO3属于立方晶系，空间群 Pm3m，禁带宽度约为3.2eV = = =90。是一种典 a=b=c=0.39051nm， 型的AB03型钙钛矿型复合氧化物。许多文 献报道钛酸锶的居里温度TC=106K,当T<TC 时，钛酸锶由立方相转变为四方相。
铁电钛酸锶钡
• 铁电钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3)是一种拥有十 分优越铁电／介电性能的材料，在可调谐 • 微波器什及动态存储器件方面具有很好的 应用前景。Ba／Sr的比例对BST薄膜的性 能影响很大，特别是当x近于0.5时， • 这种材料具有高的介电常数、低的介电损 耗以及室温下有很好的可调性(在外加一定 直流偏压下，介电常数能发生很大的变化)
• 3. 菱方或三方(R3c)结构BiFe03 4.六方 (P63cm)结构RMnO3(R=Y，Ho-Lu) • 5．立方(Fd3m)尖晶石结ACr2X4(A=Co，Zn， Cd，Hg；X=O,S,Se)
多铁性材料
• 从增强其磁性出发，通过离子掺杂改性技 术来实现Bi-Fe-O体系在室温下的铁电性和 磁性共存。 • 通过在Bi-Fe-O体系中共掺杂Sr、Mn，极大 地增强了BiFe03的磁性。主要由于化合物 中电荷平衡规则，Mn3+和Mn4+通过o发生超 交换作用产生净余磁矩。随着Sr含量的增 加介电损耗降低，掺杂改善了电极化，减 小了漏电电流。 •
• 铁电磁体数目匮乏的物理机制 : • 产生磁性所必需的过渡金属元素未填满的d 电子壳层结构 (dn)削弱了诱发铁电性所必需 的过渡金属阳离子(d0)偏离配位多面体中心 发生位移的趋势 • 从晶体结构对称性和组成角度考虑的单相 铁电磁体:1,正交结构RMnO3(R=Gd，Tb， Dy) 2．正交结构RMn2O5(R=Gd-Lu)
• BiFe03并非理想的立方钙钛矿结构，而是 具有菱形失配的钙钛矿结构，空间点群属 于R3c。这种菱形晶胞是由于BiFe03中的各 个原子沿某一特定晶体方向发生偏移造成 的结果，这种晶格的畸变导致晶格中的电 核密度从新分布，从而导致自发极化的产 生。
• BiFe03的电性能： • 自发极化强度弱是由于：很可能是BiFe03块体存 在大的漏电流所致，这种由于缺陷或杂相的存在 导致的漏电流问题成为对BiFe03进一步研究的严 重阻碍 • 为了克服这一困难：①采用特殊的制备工艺制备 纯相的BiFe03块体；②通过和其它钙钛矿结构的 铁电体(如BaTi03等高电阻相)形成固溶体，减少 杂相的产生，提高系统的电阻，减少漏电流；③ 在BiFe03中通过高价离子掺杂(如Ti4+替代Fe3+)， 由于电荷补偿效应，降低氧缺陷浓度，减少漏电 流。