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Mn4+掺杂对BiFeO3陶瓷微观结构和电学性能的影响研究

张强 朱小红 徐云辉 肖云军 高浩濒 梁大云 朱基亮 朱建国 肖定全

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Mn4+掺杂对BiFeO3陶瓷微观结构和电学性能的影响研究

张强, 朱小红, 徐云辉, 肖云军, 高浩濒, 梁大云, 朱基亮, 朱建国, 肖定全

Effect of Mn4+ doping on the microstructure and electrical property of BiFeO3 ceramic

Zhang Qiang, Zhu Xiao-Hong, Xu Yun-Hui, Xiao Yun-Jun, Gao Hao-Bin, Liang Da-Yun, Zhu Ji-Liang, Zhu Jian-Guo, Xiao Ding-Quan
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  • 利用传统的固相反应法制备了BiFe1-xMnxO3 (x= 00.20)陶瓷样品, 研究了不同Mn4+掺杂量对BiFeO3陶瓷密度、物相结构、显微形貌、 介电性能和铁电性能的影响.实验结果表明:所制备的BiFe1-xMnxO3 陶瓷样品的钙钛矿主相均已形成,具有良好的晶体结构, 且在掺杂量x=0.05附近开始出现结构相变.随着Mn4+添加量的增加, 体系的相结构有从菱方钙钛矿向斜方转变的趋势,且样品电容率大幅度增大, 而介电损耗也略有增加;在测试频率为104 Hz条件下, BiFe0.85Mn0.15O3 (r=1065)的 r是纯BiFeO3 (r=50.6)的22倍; 掺杂后样品的铁电极化性能均有不同程度的提高,可能是由于Mn4+稳定性优于 Fe3+,高价位Mn4+进行B位替代改性BiFeO3陶瓷, 能减少Bi3+挥发,抑制Fe3+价态波动,从而降低氧空位浓度,减小样品的电导和漏电流.
    Multiferroic BiFe1-xMnxO3 (x= 0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20) (represented as BF1-xMxO) ceramics are prepared by the conventional solid state reaction technique. The effects of Mn4+ doping on density, phase structure, morphology, dielectric and ferroelectric properties are investigated. The X-ray diffraction patterns of the samples indicate that the typical perovskite phase structure of BiFeO3 is formed, and a phase transition starts near x= 0.05, i.e., the phase structure is distorted from rhombohedral to orthorhombic by Mn4+ doping. The dielectric susceptibility of the sample is significantly increased and the dielectric loss is slightly increased with the increase of Mn4+ content. The dielectric constant r of the BiFe0.85Mn0.15O3 ceramic at 10 kHz is as high as 1065, 22 times larger than that for pure BiFeO3. It is suggested by hysteresis loop measurements that the ferroelectric property of the BF1-xMxO ceramics is improved and the remanent polarization is increased by Mn4+ doping. This is probably because Mn4+ is more stable than Fe3+, and the B-site doping with higher valent Mn4+ could reduce the volatilization of Bi3+ and suppress the valence fluctuation of Fe3+, thereby reducing the concentration of oxygen vacancies and the leakage current in the ceramic.
    • 基金项目: 教育部新世纪优秀人才支持计划(批准号: NCET-10-0582)、 教育部博士点新教师基金(批准号: 20100181120021)和四川省杰出青年学术技术带头人培育计划(批准号: 2011JQ0021)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the Program for New Century Excellent Talents in University of Ministry of Education of China (Grant No. NCET-10-0582), the New Teachers Fund in University for the Doctoral Program of Ministry of Educational of China (Grant No. 20100181120021), and the Outstanding Young Leaders of Science Technology Training Program of Sichuan Province, China (Grant No. 2011JQ0021).
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出版历程
  • 收稿日期:  2011-11-04
  • 修回日期:  2011-12-30
  • 刊出日期:  2012-07-05

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