新型单相层状多铁性磁电材料Bi5Ti3Fe0.5Co0.5O15的制备及性能与机理研究

将FeO和CoO磁性单元植入具有较好抗疲劳性能的铋层状结构钛酸铋（Bi4Ti3O12）中形成新型单相层状磁电材料Bi5Ti3Fe0.5Co0.5O15，用基于多次预合成的两步合成法制备相应的陶瓷体材料，用脉冲激光沉积法制备相应的薄膜材料。对于该新型材料中在室温下所激发出的较强铁磁性的来源和机制，用多种方法在多方面深入研究：（1）通过适当改变材料中Fe和Co的相对含量，探求Fe和Co的相对含量对材料性能（尤其是磁性能）的影响机制；（2）通过电场作用下磁性能的变化和磁场作用下铁电性能的变化，研究晶格层次上的磁电耦合性能。（2）利用离子掺杂（La系元素的A位掺杂）进一步剪裁材料性能并着重研究掺杂对Fe、Co之间的相对含量比和它们之间的磁性相互作用的影响；（3）研究薄膜基底应力和取向对材料的合成和性能的多方面影响；（4）研究把多个FeO和CoO单元插入到钛酸铋的可能性，并研究其铁磁性能的变化。

以新型单相层状多铁材料BiFe0.5Co0.5Ti3O15（BFCT）及其系列样品的陶瓷和薄膜形态为研究对象，运用A位镧系元素对其进行掺杂改性。同时对BFCT材料，以Co含量为0.5为中心，扩大了Fe与Co的组分比例及增加磁性离子基团的层数，同时在BFCT中改变不同磁性离子进行耦合等手段，通过对材料结构和性能的多种表征进行了研究与分析，得出如下基本结论：（1）基于我们前期研究结果，对BFCT样品进行了更为深入的研究，通过改变BFCT中的Fe与Co比例，并用不同的制备方法（传统固相法和插入法）制备了系列陶瓷样品，发现：材料在Co含量为0.5处发生了结构相变；这一步证实了在BFCT中Fe、Co含量为1: 1时其室温磁性为最佳，同时明确了铁磁性来源于不同磁性离子的耦合；通过对两种方法制备的样品性能进行比较，插入法制备的样品改善了磁性离子的有序性，进一步确认了层状多铁材料室温铁磁性与不同磁性离子的耦合有关。（2）为了进一步提高材料中磁性离子的耦合，我们用增加磁性离子层的方法，制备了含有2层和3层磁性离子层的样品（Bi6FeCoTi3O18，Bi7Fe1.5Co1.5Ti3O21等）。研究发现：样品的铁电、铁磁相变温度均在室温以上，并且铁磁性得到极大提高，已满足实用要求。（3）用湿化学法和PLD方法制备了BFTO和BFCT薄膜样品，室温下薄膜样品都具有良好的铁电性能和铁磁性，样品的铁电性能的提高主要源于Co离子的取代降低了样品中Fe2+离子的含量，减少了样品中的缺陷；对样品磁介电研究发现，BFTO和BFCT均具有磁介电效应；随着外磁场的增加，样品介电常数和介电损耗均单调减小，这表明薄膜样品的磁介电效应是来源于本征的磁电效应；样品的磁介电效应与Fe2+有关，Co掺杂抑制了材料中Fe2+降低了样品的磁介电效应。（4）对BFCT进行了A位镧系元素掺杂研究，制备了Bi5-xLn1-xFe0.5Co0.5Ti3O15（Ln = La，Pr，Sm和Eu等）陶瓷样品，结果表明：A位掺杂能有效提升材料样品室温以上的铁电和铁磁性，同时A位镧掺杂能激发材料的磁介电效应；在1.0 T磁场下室温下样品的磁-介电效应为～8.1 %；其磁-介电效应为本征行为。上述研究结果，为Bi系层状多铁材料实际应用提供了实验依据。