Ba掺杂及工艺对BiFeO3体系结构和磁特性的影响

刘凤金; 陈水源; 黄志高

doi:10.7498/aps.63.085101

摘要

用溶胶-凝胶+快速热处理方法制备Bi1-xBaxFeO3（BBFO-x，x=0，0.05，0.15）陶瓷材料，研究不同工艺条件和元素掺杂对样品的结构和磁特性的影响. 实验结果表明，BBFO-x纯相样品制备工艺要求较高，在工艺条件为800 ℃下退火450 s时，样品具有最好的结构及磁性能；X射线衍射测试表明，Ba元素替代会引起晶格畸变，但没有改变样品的宏观晶格结构；Raman光谱测试进一步证实了样品的纯相结构及Ba元素掺杂对样品结构的影响；此外，Ba 元素替代有助于增强样品的磁性，其原因在于掺杂使得原有的长程反铁磁螺旋磁结构受到破坏，同时可能出现Fe 离子价态变化，产生自旋耦合，从而在样品中表现出更大的宏观净磁矩. 本工作可对开展这一单相多铁材料体系的微观结构以及磁电耦合效应的研究提供很好的实验基础.

关键词:

Abstract

Multiferroic Bi1-xBaxFeO3 (named as BBFO-x, x=0, 0.05, 0.15) are prepared by the sol-gel method through rapid thermal process. The effects of Ba-doping and process conditions on the structures and magnetic properties of the samples are investigated. The experimental results indicate that the process requirements of the pure BBFO-x samples are rigorous. The samples annealed at 800 ℃ for 450 s possess the best structures and magnetic properties. X-ray diffraction results show that Ba-doping causes lattice deformations, but does not change the macroscopic lattice structures of the samples, which is further proved by the Raman spectra of the samples. Besides, Ba-doping is beneficial to enhancing the magnetization of the sample, which is attributed to both the destruction of long-rang antiferromagnetic spiral magnetic structure and the possible spin coupling resulting from the valent state change of the Fe ions. These achievements provide experimental foundation for further studying the microstructure and magnetoelectric coupling effect in such single phase multiferroics.

Keywords:

作者及机构信息

1.
福建师范大学物理与能源学院, 福建省量子调控与新能源材料重点实验室, 福州 350108

基金项目: 国家重点基础研究发展计划（批准号：2011CBA00200）、国家自然科学基金（批准号：11004031，11004039）、福建省自然科学基金（批准号：2012J01003）和福建省新世纪优秀人才计划（批准号：JA12054）资助的课题.

Authors and contacts

1.
Fujian Provincial Key Laboratory of Quantum Manipulation and New Energy Materials, College of Physics and Energy, Fujian Normal University, Fuzhou 350108, China

Funds: Project supported by the National Basic Research Program of China (Grant No. 2011CBA00200), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11004031, 11004039), the Natural Science Foundation of the Fujian Province, China (Grant No. 2012J01003), and the Program for New Century Excellent Talents in University of the Fujian Province, China (Grant No. JA12054).

参考文献

[1]	Spaldin N A, Fiebig M 2005 Science 309 391
[2]
[3]	Fiebig M 2005 J. Phys. D: Appl. Phys. 38 R123
[4]
[5]	Eerenstein W, Mathur N D, Scott J F 2006 Nature 442 759
[6]
[7]	Chi Z H, Jin C Q 2007 Prog. Phys. 27 225 (in Chinese) [迟振华, 靳常青 2007 物理学进展 27 225]
[8]	Tokunaga Y, KanekoY, Okuyama D, Ishiwata S, Arima T, Wakimoto S, Kakurai K, Taguchi Y, Tokura Y 2011 Phys. Rev. Lett. 105 257201
[9]
[10]	Duan C G 2009 Prog. Phys. 29 215 (in Chinese) [段纯刚 2009 物理学进展 29 215]
[11]
[12]
[13]	Hu J M, Li Z, Chen L Q, Nan C W 2012 Adv. Mater. 24 2869
[14]	Wei J, Chen Y J, Xu Z 2012 Acta Phys. Sin. 61 057502 (in Chinese) [魏杰, 陈彦均, 徐卓 2012 61 057502]
[15]
[16]	Huang F Z, Wang Z J, Lu X M, Zhang J T, Min K L, Lin W W, Ti R X, Xu T T, He J, Yue C, Zhu J S 2013 Sci. Rep. 3 2907
[17]
[18]	Yuan X Y, Luo L R, Wu D, Xu Q Y 2013 Chin. Phys. B 22 107702
[19]
[20]
[21]	Gu J J, Liu L H, Qi Y K, Xu Q, Zhang H M, Sun H Y 2011 Acta Phys. Sin. 60 067701 (in Chinese) [顾建军, 刘力虎, 岂云开, 徐芹, 张惠敏, 孙会元 2011 60 067701]
[22]	Zhou G H, Pan X, Zhu Y X 2013 Acta Phys. Sin. 62 097501 (in Chinese) [周广宏, 潘旋, 朱雨富 2013 62 097501]
[23]
[24]
[25]	Kimura T, Goto T, Shintani H, Ishizaka K, Arima T, Tokura Y 2003 Nature 426 55
[26]
[27]	Yang Y, Liu J M, Huang H B, Zou W Q, Bao P, Liu Z G 2004 Phys. Rev. B 70 132101
[28]	Choi T, Horibe Y, Yi H T, Choi Y J, Wu W D, Cheong S W 2010 Nat. Mater. 9 253
[29]
[30]
[31]	Wang J, Neaton J B, Zheng H, Nagarajan V, Ogale S B, Liu B, Viehland D, Vaithyanathan V, Schlom D G, Waghmare U V, Spaldin N A, Rabe K M, Wuttig M, Ramesh R 2003 Science 299 1719
[32]	Dong S 2010 Physics 39 714 (in Chinese) [董帅 2010 物理 39 714]
[33]
[34]	Wang Y P, Zhou L, Zhang M F, Chen X Y, Liu J M, Liu Z G 2004 Appl. Phys. Lett. 84 1731
[35]
[36]	Singh M K, Ryu S, Jang H M 2005 Phys. Rev. B 72 132101
[37]
[38]	Kamba S, Nuzhnyy D, Savinov M, Sebek J, Petzelt J, Prokleska J, Haumont R, Kreisel J 2007 Phys. Rev. B 75 024403
[39]
[40]	Lobo R P S M, Moreira R L, Lebeugle D, Colson D 2007 Phys. Rev. B 76 172105
[41]
[42]	Hermet P, Goffinet M, Kreisel J, Ghosez P 2007 Phys. Rev. B 75 220102(R)
[43]
[44]	Ederer C, Spaldin N A 2005 Phys. Rev. B 71 060401R
[45]
[46]	Matsui T, Tanaka H, Fujimura N, Ito T, Mabuchi H, Morii K 2002 Appl. Phys. Lett. 81 2764
[47]
[48]
[49]	Mahesh Kumar M, Srinath S, Kumar G S, Suryanarayana S V 1998 J. Magn. Magn. Mater. 188 203
[50]
[51]	Geck J, Bchner B, Hcker M, Klingeler P, Gross R 2001 Phys. Rev. B 64 144430

施引文献

[1]	Spaldin N A, Fiebig M 2005 Science 309 391
[2]
[3]	Fiebig M 2005 J. Phys. D: Appl. Phys. 38 R123
[4]
[5]	Eerenstein W, Mathur N D, Scott J F 2006 Nature 442 759
[6]
[7]	Chi Z H, Jin C Q 2007 Prog. Phys. 27 225 (in Chinese) [迟振华, 靳常青 2007 物理学进展 27 225]
[8]	Tokunaga Y, KanekoY, Okuyama D, Ishiwata S, Arima T, Wakimoto S, Kakurai K, Taguchi Y, Tokura Y 2011 Phys. Rev. Lett. 105 257201
[9]
[10]	Duan C G 2009 Prog. Phys. 29 215 (in Chinese) [段纯刚 2009 物理学进展 29 215]
[11]
[12]
[13]	Hu J M, Li Z, Chen L Q, Nan C W 2012 Adv. Mater. 24 2869
[14]	Wei J, Chen Y J, Xu Z 2012 Acta Phys. Sin. 61 057502 (in Chinese) [魏杰, 陈彦均, 徐卓 2012 61 057502]
[15]
[16]	Huang F Z, Wang Z J, Lu X M, Zhang J T, Min K L, Lin W W, Ti R X, Xu T T, He J, Yue C, Zhu J S 2013 Sci. Rep. 3 2907
[17]
[18]	Yuan X Y, Luo L R, Wu D, Xu Q Y 2013 Chin. Phys. B 22 107702
[19]
[20]
[21]	Gu J J, Liu L H, Qi Y K, Xu Q, Zhang H M, Sun H Y 2011 Acta Phys. Sin. 60 067701 (in Chinese) [顾建军, 刘力虎, 岂云开, 徐芹, 张惠敏, 孙会元 2011 60 067701]
[22]	Zhou G H, Pan X, Zhu Y X 2013 Acta Phys. Sin. 62 097501 (in Chinese) [周广宏, 潘旋, 朱雨富 2013 62 097501]
[23]
[24]
[25]	Kimura T, Goto T, Shintani H, Ishizaka K, Arima T, Tokura Y 2003 Nature 426 55
[26]
[27]	Yang Y, Liu J M, Huang H B, Zou W Q, Bao P, Liu Z G 2004 Phys. Rev. B 70 132101
[28]	Choi T, Horibe Y, Yi H T, Choi Y J, Wu W D, Cheong S W 2010 Nat. Mater. 9 253
[29]
[30]
[31]	Wang J, Neaton J B, Zheng H, Nagarajan V, Ogale S B, Liu B, Viehland D, Vaithyanathan V, Schlom D G, Waghmare U V, Spaldin N A, Rabe K M, Wuttig M, Ramesh R 2003 Science 299 1719
[32]	Dong S 2010 Physics 39 714 (in Chinese) [董帅 2010 物理 39 714]
[33]
[34]	Wang Y P, Zhou L, Zhang M F, Chen X Y, Liu J M, Liu Z G 2004 Appl. Phys. Lett. 84 1731
[35]
[36]	Singh M K, Ryu S, Jang H M 2005 Phys. Rev. B 72 132101
[37]
[38]	Kamba S, Nuzhnyy D, Savinov M, Sebek J, Petzelt J, Prokleska J, Haumont R, Kreisel J 2007 Phys. Rev. B 75 024403
[39]
[40]	Lobo R P S M, Moreira R L, Lebeugle D, Colson D 2007 Phys. Rev. B 76 172105
[41]
[42]	Hermet P, Goffinet M, Kreisel J, Ghosez P 2007 Phys. Rev. B 75 220102(R)
[43]
[44]	Ederer C, Spaldin N A 2005 Phys. Rev. B 71 060401R
[45]
[46]	Matsui T, Tanaka H, Fujimura N, Ito T, Mabuchi H, Morii K 2002 Appl. Phys. Lett. 81 2764
[47]
[48]
[49]	Mahesh Kumar M, Srinath S, Kumar G S, Suryanarayana S V 1998 J. Magn. Magn. Mater. 188 203
[50]
[51]	Geck J, Bchner B, Hcker M, Klingeler P, Gross R 2001 Phys. Rev. B 64 144430

[1]	何卓亚, 杨启容, 李昭莹, 毛蕊, 王力伟, 闫晨宣. 介孔尺度及结构对混合硝酸盐热输运特性的影响. , 2022, 71(3): 030503. doi: 10.7498/aps.71.20211276
[2]	亢玉彬, 唐吉龙, 李科学, 李想, 侯效兵, 楚学影, 林逢源, 王晓华, 魏志鹏. Be, Si掺杂调控GaAs纳米线结构相变及光学特性. , 2021, 70(20): 207804. doi: 10.7498/aps.70.20210782
[3]	叶晴莹, 王文静, 邓楚楚, 陈水源, 张鑫源, 王雅婧, 黄秋怡, 黄志高. 缺陷铁纳米环体系的磁特性研究. , 2019, 68(10): 107502. doi: 10.7498/aps.68.20182271
[4]	陶强, 马帅领, 崔田, 朱品文. 过渡金属硼化物的结构与性质. , 2017, 66(3): 036103. doi: 10.7498/aps.66.036103
[5]	李少波, 殷春浩, 徐振坤, 李佩欣, 吴彩平, 冯铭扬. 基于电子顺磁共振的锶铁氧体磁特性研究. , 2015, 64(10): 107502. doi: 10.7498/aps.64.107502
[6]	孙景阳, 王东明, 吕业刚, 王苗, 汪伊曼, 沈祥, 王国祥, 戴世勋. 应用于相变存储器的Cu-Ge3Sb2Te5薄膜的结构及相变特性研究. , 2015, 64(1): 016103. doi: 10.7498/aps.64.016103
[7]	何永周, 周巧根. 上海光源低温波荡器永磁铁在低温下的磁特性研究. , 2013, 62(4): 044106. doi: 10.7498/aps.62.044106
[8]	蓝雷雷, 胡新宇, 顾广瑞, 姜丽娜, 吴宝嘉. FeMn掺杂AlN薄膜的制备及其特性研究. , 2013, 62(21): 217504. doi: 10.7498/aps.62.217504
[9]	张兆慧, 韩奎, 曹娟, 王帆, 杨丽娟. 有机分子超薄膜的结构对摩擦的影响. , 2012, 61(2): 028701. doi: 10.7498/aps.61.028701
[10]	李天富, 陈东风, 王洪立, 孙凯, 刘蕴韬. 超薄Fe(4?)膜磁特性极化中子反射研究. , 2009, 58(11): 7993-7997. doi: 10.7498/aps.58.7993
[11]	王伟娜, 方庆清, 周军, 王胜男, 闫方亮, 刘艳美, 李雁, 吕庆荣. 制备工艺对Zn1-xMgxO薄膜结构及光学性能的影响. , 2009, 58(5): 3461-3467. doi: 10.7498/aps.58.3461
[12]	邓书康, 唐新峰, 杨培志, 鄢永高. Cd掺杂p型Ge基Ba8Ga16CdxGe30-x Ⅰ型笼合物的结构及热电特性. , 2009, 58(6): 4274-4280. doi: 10.7498/aps.58.4274
[13]	邱东江, 王俊, 丁扣宝, 施红军, 郏寅. 退火对Mn和N共掺杂的Zn0.88Mn0.12O:N薄膜特性的影响. , 2008, 57(8): 5249-5255. doi: 10.7498/aps.57.5249
[14]	苏青峰, 刘健敏, 王林军, 史伟民, 夏义本. 沉积工艺条件对金刚石薄膜红外椭偏光学性质的影响. , 2006, 55(10): 5145-5149. doi: 10.7498/aps.55.5145
[15]	高湉, 曹世勋, 李文娟, 康保娟, 袁淑娟, 张金仓. Cu掺杂LaMn1－xCuxO3体系的磁转变和导电行为研究. , 2006, 55(7): 3692-3697. doi: 10.7498/aps.55.3692
[16]	康保娟, 曹世勋, 王新燕, 李领伟, 黎文峰, 刘芬, 曹桂新, 郁黎明, 敬超, 张金仓. 混合场中 (Pr1－yNdy)2/3Sr1/3MnO3体系磁转变行为研究. , 2005, 54(2): 902-906. doi: 10.7498/aps.54.902
[17]	林洪峰, 谢二庆, 马紫微, 张军, 彭爱华, 贺德衍. 射频溅射法制备3C-SiC和4H-SiC薄膜. , 2004, 53(8): 2780-2785. doi: 10.7498/aps.53.2780
[18]	郭鸿涌, 刘宝丹, 唐宁, 罗鸿志, 李养贤, 杨伏明, 吴光恒. Co和稳定元素对Nd3(Fe,Co,M)29(M=Ti,V,Cr) 化合物结构和磁性的影响. , 2004, 53(1): 189-193. doi: 10.7498/aps.53.189
[19]	巫翔, 秦善, 吴自玉, 董宇辉, 刘景, 李晓东. 钙钛矿CaTiO3的超高压结构研究. , 2004, 53(6): 1967-1971. doi: 10.7498/aps.53.1967
[20]	鲁毅, 李庆安, 邸乃力, 成昭华, 薛艳杰, 张莉, 陈娜, 肖红文, 张百生, 陈东凤. Nd0.5Sr0.4Pb0.1MnO3的结构和磁性. , 2003, 52(8): 2057-2060. doi: 10.7498/aps.52.2057

计量

文章访问数: 6071
PDF下载量: 371
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板