搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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

引用本文:
Citation:

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
PDF
导出引用
  • 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).
    [1]

    Spaldin N A, Fiebig M 2005 Science 309 391

    [2]

    Eerenstein W, Mathur N D, Scott J F 2006 Nature 442 759

    [3]

    Ramesh R, Spaldin N A 2007 Nat. Mater. 6 21

    [4]

    Nan C W, Bichurin M I, Dong S, Viehland D, Srinivasan G 2008 J. Appl. Phys. 103 031101

    [5]

    Wang K F, Liu J M, Ren Z F 2009 Adv. Phys. 58 321

    [6]

    Catalan G, Scott J F 2009 Adv. Mater. 21 2463

    [7]

    Wang J, Neaton J B, Zheng H 2003 Science 299 1719

    [8]

    Zhang H, Liu Y J, Pan L H 2009 Acta Phys. Sin. 58 7141 (in Chinese) [张晖, 刘拥军, 潘丽华 2009 物理学报 58 7141]

    [9]

    Zhang S T, Zhang Y, Lu M H 2006 Appl. Phys. Lett. 88 162901

    [10]

    Hong X, Wang W, Mao X Y 2010 Acta Phys. Sin. 59 8160 (in Chinese) [胡星, 王伟, 毛翔宇 2010 物理学报 59 8160]

    [11]

    Neaton J B, Yadav K L, Ederer C 2005 Phys. Rev. B 71 1

    [12]

    Nalwa K S, Garg A, Upadhyaya A 2008 Mater. Lett. 62 2858

    [13]

    Wang D H, Goh W C, Ning M 2006 Appl. Phys. Lett. 88 212907

    [14]

    Wang L Y, Wang D H, Huang H B 2009 J. Alloys. Compd. 469 1

    [15]

    Liu G, Guo H L, Zhang Q 2010 J. Funct. Mater. 6 1053 (in Chinese) [刘果, 郭红力, 张强 2010 功能材料 6 1053]

    [16]

    Srinivas A, Boey F 2004 Ceram. Int. 30 1427

    [17]

    Lou Y H, Song G L, Chang F G, Wang Z K 2010 Chin. Phys. B 19 077702

    [18]

    Chang F G, Song G L, Wang Z K 2007 Acta Phys. Sin. 56 6068 (in Chinese) [常方高, 宋桂林, 王照奎 2007 物理学报 56 6068]

    [19]

    Wang Y P, Zhou L, Zhang M F 2004 Appl. Phys. Lett. 84 1731

    [20]

    Luo B C, Zhou C C, Chen C L 2009 Acta Phys. Sin. 58 4563 (in Chinese) [罗炳成, 周超超, 陈长乐 2009 物理学报 58 4563]

    [21]

    Yuan G L, Liu J M 2006 Appl. Phys. Lett. 88 062905

    [22]

    Li J B, Guang H, Xiao Y G 2010 Chin. Phys. B 19 10

    [23]

    Buette B, Zvyagin S, Pyatakov A P 2004 Phys. Rev. B 69 064114

    [24]

    Yuan G L, Wang Y P 2007 J. Appl. Phys. 101 064101

  • [1]

    Spaldin N A, Fiebig M 2005 Science 309 391

    [2]

    Eerenstein W, Mathur N D, Scott J F 2006 Nature 442 759

    [3]

    Ramesh R, Spaldin N A 2007 Nat. Mater. 6 21

    [4]

    Nan C W, Bichurin M I, Dong S, Viehland D, Srinivasan G 2008 J. Appl. Phys. 103 031101

    [5]

    Wang K F, Liu J M, Ren Z F 2009 Adv. Phys. 58 321

    [6]

    Catalan G, Scott J F 2009 Adv. Mater. 21 2463

    [7]

    Wang J, Neaton J B, Zheng H 2003 Science 299 1719

    [8]

    Zhang H, Liu Y J, Pan L H 2009 Acta Phys. Sin. 58 7141 (in Chinese) [张晖, 刘拥军, 潘丽华 2009 物理学报 58 7141]

    [9]

    Zhang S T, Zhang Y, Lu M H 2006 Appl. Phys. Lett. 88 162901

    [10]

    Hong X, Wang W, Mao X Y 2010 Acta Phys. Sin. 59 8160 (in Chinese) [胡星, 王伟, 毛翔宇 2010 物理学报 59 8160]

    [11]

    Neaton J B, Yadav K L, Ederer C 2005 Phys. Rev. B 71 1

    [12]

    Nalwa K S, Garg A, Upadhyaya A 2008 Mater. Lett. 62 2858

    [13]

    Wang D H, Goh W C, Ning M 2006 Appl. Phys. Lett. 88 212907

    [14]

    Wang L Y, Wang D H, Huang H B 2009 J. Alloys. Compd. 469 1

    [15]

    Liu G, Guo H L, Zhang Q 2010 J. Funct. Mater. 6 1053 (in Chinese) [刘果, 郭红力, 张强 2010 功能材料 6 1053]

    [16]

    Srinivas A, Boey F 2004 Ceram. Int. 30 1427

    [17]

    Lou Y H, Song G L, Chang F G, Wang Z K 2010 Chin. Phys. B 19 077702

    [18]

    Chang F G, Song G L, Wang Z K 2007 Acta Phys. Sin. 56 6068 (in Chinese) [常方高, 宋桂林, 王照奎 2007 物理学报 56 6068]

    [19]

    Wang Y P, Zhou L, Zhang M F 2004 Appl. Phys. Lett. 84 1731

    [20]

    Luo B C, Zhou C C, Chen C L 2009 Acta Phys. Sin. 58 4563 (in Chinese) [罗炳成, 周超超, 陈长乐 2009 物理学报 58 4563]

    [21]

    Yuan G L, Liu J M 2006 Appl. Phys. Lett. 88 062905

    [22]

    Li J B, Guang H, Xiao Y G 2010 Chin. Phys. B 19 10

    [23]

    Buette B, Zvyagin S, Pyatakov A P 2004 Phys. Rev. B 69 064114

    [24]

    Yuan G L, Wang Y P 2007 J. Appl. Phys. 101 064101

  • [1] 陈旭凡, 杨强, 胡小会. 过渡金属原子掺杂对二维CrBr3电磁学性能的调控. 物理学报, 2021, 70(24): 247401. doi: 10.7498/aps.70.20210936
    [2] 刘泳, 徐志军, 范立群, 伊文涛, 闫春燕, 马杰, 王坤鹏. 多效应铌酸钾钠基透明铁电陶瓷的制备及性能. 物理学报, 2020, 69(24): 247702. doi: 10.7498/aps.69.20201317
    [3] 张亚菊, 谢忠帅, 郑海务, 袁国亮. Au-BiFeO3纳米复合薄膜的电学和光伏性能优化. 物理学报, 2020, 69(12): 127709. doi: 10.7498/aps.69.20200309
    [4] 张娜, 刘波, 林黎蔚. He离子辐照对石墨烯微观结构及电学性能的影响. 物理学报, 2020, 69(1): 016101. doi: 10.7498/aps.69.20191344
    [5] 刘燕丽, 王伟, 董燕, 陈敦军, 张荣, 郑有炓. 结构参数对N极性面GaN/InAlN高电子迁移率晶体管性能的影响. 物理学报, 2019, 68(24): 247203. doi: 10.7498/aps.68.20191153
    [6] 李勇, 王应, 李尚升, 李宗宝, 罗开武, 冉茂武, 宋谋胜. 硼硫协同掺杂金刚石的高压合成与电学性能研究. 物理学报, 2019, 68(9): 098101. doi: 10.7498/aps.68.20190133
    [7] 李丽丽, 张晓虹, 王玉龙, 国家辉, 张双. 基于聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料微观结构的力学性能模拟. 物理学报, 2016, 65(19): 196202. doi: 10.7498/aps.65.196202
    [8] 曹永泽, 李国建, 王强, 马永会, 王慧敏, 赫冀成. 强磁场对不同厚度Fe80Ni20薄膜的微观结构及磁性能的影响. 物理学报, 2013, 62(22): 227501. doi: 10.7498/aps.62.227501
    [9] 王峰浩, 胡晓君. 氧离子注入微晶金刚石薄膜的微结构与光电性能研究. 物理学报, 2013, 62(15): 158101. doi: 10.7498/aps.62.158101
    [10] 顾珊珊, 胡晓君, 黄凯. 退火温度对硼掺杂纳米金刚石薄膜微结构和p型导电性能的影响. 物理学报, 2013, 62(11): 118101. doi: 10.7498/aps.62.118101
    [11] 唐杰, 杨梨容, 王晓军, 张林, 魏成富, 陈擘威, 梅杨. 高压对大块(PrNd)xAl0.6Nb0.5Cu0.15B1.05Fe97.7-x合金微观结构和性能的影响. 物理学报, 2012, 61(24): 240701. doi: 10.7498/aps.61.240701
    [12] 罗庆洪, 娄艳芝, 赵振业, 杨会生. 退火对AlTiN多层薄膜结构及力学性能影响. 物理学报, 2011, 60(6): 066201. doi: 10.7498/aps.60.066201
    [13] 袁昌来, 刘心宇, 马家峰, 周昌荣. Bi0.5Ba0.5Fe0.5Ti0.49Nb0.01O3热敏陶瓷的微结构和电学性能研究. 物理学报, 2010, 59(6): 4253-4260. doi: 10.7498/aps.59.4253
    [14] 丁万昱, 王华林, 苗壮, 张俊计, 柴卫平. 沉积参数对SiNx薄膜结构及阻透性能的影响. 物理学报, 2009, 58(1): 432-437. doi: 10.7498/aps.58.432
    [15] 李怀林, 杨文, 杨启法. JLF-1钢高温循环变形后硬度与微观结构的数值关系. 物理学报, 2009, 58(13): 338-S342. doi: 10.7498/aps.58.338
    [16] 杨雁, 李盛涛. CaCu3Ti4O12陶瓷的微观结构及直流导电特性. 物理学报, 2009, 58(9): 6376-6380. doi: 10.7498/aps.58.6376
    [17] 姜雪宁, 王 昊, 马小叶, 孟宪芹, 张庆瑜. 蓝宝石衬底上Gd2O3掺杂CeO2氧离子导体电解质薄膜的生长及电学性能. 物理学报, 2008, 57(3): 1851-1856. doi: 10.7498/aps.57.1851
    [18] 朱才镇, 张培新, 许启明, 刘剑洪, 任祥忠, 张黔玲, 洪伟良, 李琳琳. 分子动力学模拟不同组分下CaO-Al2O3-SiO2系玻璃微观结构的转变. 物理学报, 2006, 55(9): 4795-4802. doi: 10.7498/aps.55.4795
    [19] 邵守福, 郑 鹏, 张家良, 钮效鵾, 王春雷, 钟维烈. CaCu3Ti4O12陶瓷的微观结构和电学性能. 物理学报, 2006, 55(12): 6661-6666. doi: 10.7498/aps.55.6661
    [20] 成问好, 李卫, 李传健, 潘伟. 烧结Nd-Fe-B磁体的磁性能一致性与其微观结构的关系. 物理学报, 2001, 50(11): 2226-2229. doi: 10.7498/aps.50.2226
计量
  • 文章访问数:  4144
  • PDF下载量:  1250
  • 被引次数: 0
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

Mn4+掺杂对BiFeO3陶瓷微观结构和电学性能的影响研究

  • 1. 四川大学材料科学与工程学院, 成都 610064
    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.

摘要: 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.

English Abstract

参考文献 (24)

目录

    /

    返回文章
    返回