多铁性材料的高频介电响应机制研究

本项目从高频介电响应的视角对多铁性材料（块体、薄膜）中与铁电、铁磁性能关联的多种物理现象进行研究。充分考虑到前期的工作基础，采用化学的方法合成单相多铁性材料和以单相磁性相、层状钙钛矿化合物（稀土掺杂钛酸铋盐和钽酸锶铋）为铁电相的复相多铁性材料。主要从以下几个方面考察多铁性材料中的铁电、铁磁效应与高频介电响应机制的关联：第一、考查多铁性材料的微观结构、晶界（界面）应力、缺陷、晶粒大小及分布与高频介电响应之间的对应关系；第二、研究铁电、铁磁性能以及磁电耦合与高频介电响应机制的关联；第三、研究多铁性材料的铁电-顺电转变、铁磁-顺磁转变、各种极化/磁化机制与高频介电响应之间的联系；第四、研究外场（电场、磁场）作用下，多铁性材料的高频介电响应行为的变化；从而拓展对多铁性材料中的铁电、铁磁基本物理现象的认识，深入理解各种极化/磁化机制在磁电耦合中的作用。

该项目采用溶胶凝胶工艺和匀相化学共沉淀方法制备了单相多铁性材料和磁性相/层状钙钛矿化合物（稀土掺杂钛酸铋盐和钽酸锶铋）复相多铁性材料。研究了合成工艺中各种控制因素对多铁性材料的微观结构、晶界（界面）应力、缺陷、晶粒大小的影响规律。从合成热力学的角度结合Bi2O3-Fe2O3相图及实验结果分析得出在多铁性BiFeO3单相合成中的关键控制Bi组元挥发，解决了合成单相BiFeO3中易产生杂质相的问题。在优化工艺基础上得到了BiFeO3多铁性陶瓷、Nd掺杂的钛酸铋(Bi4Ti3O12)/铁酸钴(CoFe2O4)复相陶瓷、钽酸锶铋(SrBi2Ta2O9)/BiFeO3复相薄膜。纯相BiFeO3陶瓷晶粒呈等轴状，尺寸0.5～2μC。得到的BiFeO3陶瓷具有微弱的磁性和铁电性。氧气BiFeO3陶瓷烧结样品，1kHz～5MHz频率范围内损耗在0.03以下，相对介电常数为64。复相多铁陶瓷组成相无中间相的产生，表现出优异的铁电铁磁综合性能及磁电耦合性能。BiFeO3纳米颗粒在10与100kHz下的介电温谱测试表明：介电常数实部随着温度的升高存在50–280℃ (233℃)以及280–380℃ (330℃)两个反常峰。随着测试频率的升高，ε'数值降低，330 ℃附近ε'峰值对应的温度Tm移向高温，介电常数实部反常峰变宽揭示了的介电常数ε'对应于介电弛豫效应。同时330℃的反常峰的温度在BiFeO3铁磁相变点附近，对应于BiFeO3中反铁磁向铁磁相变。在BiFeO3陶瓷中，高频区介电常数的反常增加与Fe二价离子和三价离子之间的跃迁及本征缺陷(氧空位)存在关联。超高频介电性能测试表明，BiFeO3样品在15GHz附近存在一个介电弛豫响应，具有过阻尼振动特征，揭示了与BiFeO3电畴运动有关。Ta掺杂后样品在12.5和14.6GHz附近表现出两个共振型介电响应，并且在14.6GHz附近的共振峰强度随着Ta掺杂含量的增加而减弱，揭示了Ta掺杂取代改变了BiFeO3铁电畴的运动过程。基于以上具体研究，展开了微观结构、晶界应力、缺陷与高频介电响应之间的关联讨论；铁电、铁磁性能与高频响应之间的关系，磁电耦合（加外场）与介电响应之间关系，通过此项目研究拓展了对磁电耦合现象的认识。