离子掺杂BiFeO3基材料的制备与性能研究

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铁酸铋(BiFeO3,简称BFO)是一种典型的单相多铁性材料,由于其自身的铁电性和弱的铁磁性以及窄的禁带宽度使其在存储器、传感器、自旋电子,催化剂等方面都有很好的应用前景。由于其能在室温下同时表现出铁电和铁磁性能,因此受到了国内外学者的广泛关注。本文主要采用水热法合成了Nd,Pr分别单掺BiFeO3粉体,Nd、Ni共掺BiFeO3粉体,Nd、Al共掺BiFeO3粉体,Pr、Mn共掺BiFeO3粉体以及BiFeO3基复合粉体,并采用XRD、SEM、红外、PPMS以及紫外分光光度计等表征手段对合成粉体的晶体结构、磁性能及光催化进行了研究。得到如下主要结论:(1)采用水热法合成出纯相BiFeO3、Bi1-xNdxFeO3(简称BNFO,x=0,0.05,0.1)和Bi0.95Nd0.05Fe1-yNiyO3(y=0.02,0.03)粉体。在Nd单掺BFO时磁性能随着Nd掺杂量的增加而增加。通过对样品进行烧结,获得了比未烧结样品更高磁性能的样品,说明烧结有助于提高材料的磁性能。在Nd、Ni共掺BFO时磁性能随着Ni掺杂量的增加也随之增加,而且催化效率也随着Ni掺杂量的增加而增加。(2)采用水热法合成出纯相BiFeO3、Bi0.95Nd0.05Fe1-xAlxO3(简称BNFAO,x=0,0.03,0.05,0.075,0.1)粉体。随着Al掺杂量的增加磁性能降低,这是由于非磁性离子Al3+引入到磁性离子Fe3+位点,破坏了Fe-O-Fe网络结构,导致AFM型亚晶格的自旋-摆线排序,随着Al3+取代Fe3+的量增加,磁性离子减少,相互交换作用削弱,引起磁性能的降低。其催化效果随着Al掺杂量的增加先升高再降低,在x=0.05、120min时催化效率最好。(3)采用水热法合成出纯相BiFeO3、Bi1-xPrxFeO3(简称BPFO,x=0.05,0.1)和Bi0.95Pr0.05Fe1-yMnyO3(简称BPFMO,y=0.05,0.1)粉体。在Pr单掺BFO时,磁性能随着Pr掺杂量的增加而得到改善。在Pr,Mn共掺时,磁性能随着Mn掺杂量的增加也随之增加。这是由于BO6八面体畸变,一种新的Fe-O-Mn网络形成;Mn的加入使BFO的螺旋反铁磁结构破坏,使得Fe-Mn之间的相互作用更强烈,因而磁性能得到提高。同时,随着Mn掺杂量的增加,材料催化效率得到提高,在x=0.10、120min时催化效率最好。(4)采用固相烧结法分别在600℃和800℃下合成出纯相BFO/BNFO、BFO/BNFAO、BFO/BPFO和BFO/BPFMO复合粉体。在BFO/BNFO复合粉体和BFO/BNFAO复合粉体中,BFO/BNFAO复合粉体磁性能低于BFO/BNFO复合粉体的磁性能,但两者复合粉体磁性能均高于纯相BFO的磁性。在BFO/BPFMO复合粉体中BFO/B0.95P0.05F0.95M0.05O3样品的磁性能最好,且在同种样品中800℃下烧结的样品的磁性能均高于600℃下的磁性能。
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