1 1.南京理工大学 材料科学与工程学院, 南京 210094
2 2.罗斯国家科学院 材料科学与应用研究中心, 明斯克 220072, 白俄罗斯
BiFeO3是一种非常有前途的无铅铁电材料, 与大多数传统铁电材料相比, 它具有更大的极化和更高的居里温度, 为高温应用提供了可能。受到衬底强烈的夹持效应、较大的矫顽场和漏电流的影响, BiFeO3薄膜难以被极化。自极化是解决这一问题的可行方法。本研究采用溶胶-凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上生长了BiFeO3薄膜, 向上梯度薄膜(从衬底BiFeO3过渡到薄膜表面Bi0.80Ca0.20FeO2.90)以及向下梯度薄膜(从衬底Bi0.80Ca0.20FeO2.90过渡到薄膜表面BiFeO3)。通过细致地调控薄膜内部缺陷的定向分布形成内置电场，从而导致薄膜具有自极化特性。压电力显微镜结果表明：在BiFeO3薄膜中, Ca的梯度方向可以调控自极化的方向。此外, 类似二极管的单向导通特性验证了薄膜的自极化是由Ca的浓度梯度掺杂导致。X射线光电子能谱结果表明, 氧空位的梯度分布导致的内置电场可能是造成自极化现象的原因。本研究为实现铁电薄膜的自极化提供了一种新的策略, 并在以自极化的内置电场为驱动, 提高光伏或光敏器件性能方面具有潜在的应用前景。
自极化 梯度掺杂 铁酸铋薄膜 溶胶-凝胶法 self-polarization gradient doping bismuth ferrite film Sol-Gel method
景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西省先进陶瓷材料重点实验室，江西 景德镇 333000
采用传统固相法制备了(1-x)BiFeO3-xBaTiO3 (BF-xBT，x=0.28, 0.29, 0.30, 0.31)压电陶瓷，研究了其在相界附近的相结构演化与介电、铁电性能和压电性能的变化关系。结果表明，所有样品均呈现出钙钛矿相结构且无任何杂相，且均位于三方-赝立方相相界附近，表现出三方、赝立方两相共存状态。随着x的增加，相结构中赝立方相相含量逐渐增加，而三方相相含量逐渐减少，当x=0.30时，样品的三方相与赝立方相含量趋于相近，表现出最佳的电性能：压电系数d33 =165 pC/N，剩余极化强度Pr = 26.80 μC/cm2，Curie温度TC =465 ℃。另外，淬火后样品的Raman振动模与弥散指数的显著变化表明淬火工艺能有效提高样品的长程有序度和铁电相的温度稳定性，致使BF-xBT体系陶瓷的Curie温度得到进一步提升。特别是对于BF-0.30BT陶瓷样品，由于更合适的三方-赝立方相相比例和淬火工艺，介电和铁电性能均得到增强。本工作揭示了BF-xBT陶瓷样品相结构演化与压电性能的关系，并通过淬火工艺进一步优化BF-xBT陶瓷的电性能，从而为拓宽BF-BT体系材料的应用温度范围提供参考依据。
铁酸铋-钛酸钡 相结构 淬火工艺 压电陶瓷 bismuth ferrite-barium titanate phase structure quenching process piezoelectric ceramics
BiFeO3-BaTiO3陶瓷的低温快速烧结致密化有助于抑制Bi元素的挥发, 降低能耗以及快速筛选出具有优异电学性能的BiFeO3-BaTiO3基陶瓷材料。在200 V/cm的直流电场和280 mA的限制电流作用下, 通过反应闪烧Bi2O3、Fe2O3、TiO2和BaCO3混合粉体, 能够在415 ℃的炉温下, 30 s内获得具有良好铁电及压电性能的致密BiFeO3-BaTiO3陶瓷。反应闪烧过程中, 固相化学反应和烧结致密化同时发生; 限制电流值的大小对样品的相变和致密化程度有重要影响。反应闪烧技术可通过一步闪烧陶瓷材料的前驱体混合粉末而获得单相且致密的陶瓷材料, 为陶瓷材料的快速制备提供了一个新的途径。
铁酸铋-钛酸钡 无铅压电陶瓷 反应闪烧 相变 致密化 bismuth ferrite-Barium titanate lead-free piezoelectric ceramics reactive flash sintering phase transformation densification
1 厦门工学院 机械科学与电气工程学院， 福建 厦门 361021
2 西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室， 西安 710049
3 厦门工学院 柔性制造装备集成福建省高校重点实验室， 福建 厦门 361021
基于无铅压电陶瓷的高性能器件的应用日益广泛。铋基材料具有一定的综合性能，尤其在高温压电领域，是一种有潜力替代锆钛酸铅(PZT)基材料的候选体系。文章综述了与如何调控无铅压电材料性能这一关键问题相关的国内外研究进展，对调节相界、掺杂、调控制备工艺和畴工程等多方面进行了阐述，并尝试分析了无铅压电体系在实用化道路上存在的亟待解决的问题。
无铅压电材料 铁酸铋钛酸钡 高温压电陶瓷 性能调控 掺杂 畴工程 leadfree piezoelectric materials Bismuth ferrite barium titanate high temperature piezoelectric ceramics performance modification doping domain engineering
1 1.中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 苏州 215123
2 2.西交利物浦大学, 苏州 215123
BiFeO3(BFO)是一种新型可回收光响应催化剂, 但较高的光生电子/空穴对复合率和较低的量子产率限制了其实际应用。本研究通过水热法制备出还原氧化石墨烯-BFO(RGO-BFO)纳米晶复合材料, 表征与测试结果表明, 相比于BFO颗粒, 复合材料的禁带宽度Eg为2.0 eV, 降低约10%; 40 min对亚甲基蓝吸附-催化效率接近100%, 远高于BFO颗粒(28%), 这主要由于复合体系中光生电子/空穴对复合率更低。通过本征磁性回收并重复利用6次后, 复合材料仍保持89.1%催化效率, 表现出优异催化性能。
铁酸铋 纳米晶 石墨烯 催化降解 bismuth ferrite nanocrystals graphene catalytic degradation
贵州大学大数据与信息工程学院, 贵州省电子功能复合材料特色重点实验室, 贵阳 550025
多铁功能材料在现代生产生活中有举足轻重的作用。本文采用溶胶-凝胶法以硝酸铁、硝酸铋、硝酸钆、硝酸钴为原料, 乙二醇甲醚为溶剂, 柠檬酸作螯合剂制成前驱体溶液, 通过旋涂法在Pt/Ti/SiO2/Si及ITO衬底上合成Bi0.85Gd0.15Fe1-xCoxO3 (x=0, 0.04, 0.08, 0.12)薄膜, 研究了Gd3+、Co3+共掺杂对薄膜铁电性能、磁学性能及光学带隙的影响。XRD结果表明所有薄膜均呈(111)方向的菱形结构, SEM结果表明共掺杂可以细化晶粒。根据铁电性和漏电流测试分析结果可知在Co3+掺杂量为8%时最大剩余极化值达到2Pr=15.71 μC/cm2, 所有样品的漏电流传导机制均为欧姆传导机制。根据磁学性能测试分析结果可知, 共掺杂可以有效增强薄膜的饱和磁化强度, 且在Co3+掺杂量为8%时最大饱和磁化强度达到37.78 emu/cm3。根据吸收光谱及Tauc公式拟合结果可知共掺杂可以有效减小薄膜的光学带隙且随着掺杂量的增加光学带隙逐渐减小, 在Co3+掺杂量为12%时光学带隙减小到1.96 eV。
溶胶凝胶 铁酸铋 铁电性能 铁磁性能 漏电流 光学带隙 sol-gel bismuth ferrite ferroelectric property ferromagnetic property leakage current optical bandgap
多铁性材料BiFeO3(BFO)由于具有潜在的磁电耦合效应而备受关注, 但纯相陶瓷的制备始终是一个难点, 部分原因在于对其反应烧结相变规律的认识尚不充分。 高温原位拉曼光谱技术(HT-Raman)是表征复杂的固体相变及反应的有力手段。 首次利用HT-Raman, 研究了不同配比(1∶1, 1.03∶1和1.05∶1)的Bi2O3-Fe2O3在不同升降温速率(10和100 ℃·min-1)下的反应烧结相变过程, 以及降温时反应产物的收缩效应。 结果表明: Bi2O3-Fe2O3反应烧结生成BiFeO3的过程中, 会产生中间过渡相Bi2Fe4O9和Bi25FeO39∶Bi2O3-Fe2O3配比为1.03∶1、 升降温速率较快时, 产物中杂相含量最少, 可见Bi过量及较快的升降温速率能有效抑制杂相的生成。 降温过程中, 发现BFO的A1-1峰位随着温度降低发生蓝移, 且二者呈良好的线性关系, 这说明降温过程中BFO仅因温度变化产生晶格收缩, 并没有结构相变。 此外, 还利用二维X射线衍射(2D-XRD)及背散射电子衍射(EBSD), 表征了烧结产物的相组成及形貌。 XRD结果也显示Bi过量时杂相含量较少, 与拉曼结果一致。 结合2D-XRD和EBSD的结果可知, Bi过量时烧结产物晶粒尺寸较大且均一, 可见快速升降温有利于晶粒的成核与生长。 研究结果可帮助进一步认清反应烧结规律, 并指导纯相BiFeO3基陶瓷的制备。
铁酸铋 元素配比 反应烧结 高温原位拉曼光谱 BiFeO3 Molar ratio of Bi2O3-Fe2O3 Reaction sintering In-situ HT-Raman 光谱学与光谱分析
2020, 40(4): 1162
新疆大学 物理科学与技术学院, 乌鲁木齐 830046
利用溶胶-凝胶工艺在ITO/玻璃衬底上制备了Bi1-xGdxFeO3(x=0.00、0.05、0.10和0.15)薄膜。研究了Gd掺杂对薄膜的结构、形貌、漏电流性能和介电性能的影响。结果显示, 未掺Gd和Gd掺杂为5%的样品为菱方结构, 当Gd掺杂量达到10%和15%时, 样品变为四方结构。掺10%Gd的薄膜样品表面光滑、平整, 晶粒大小均匀。Gd的掺入大大降低了BiFeO3(BFO)薄膜的漏电流, 其中掺Gd量为10%和15%的薄膜的漏电流几乎为零。在整个测试频率范围内, 掺10%Gd的样品的介电常数较大且能保持恒定, 同时其介电损耗最小。
铁酸铋 Gd掺杂 溶胶-凝胶法 漏电流 介电 Bismuth Ferrite Gd-doping Sol-Gel method leakage current dielectric
1 营口理工学院机电工程系，辽宁 营口115014
2 华东师范大学 信息科学技术学院电子系极化材料与器件教育部重点实验室，上海200241
利用溶胶-凝胶工艺在石英衬底上制备了镍铈共掺杂铁酸铋Bi0.9Ce0.1Fe1-xNixO3(xBCFNO, x=0, 0.03, 0.05, 0.07)薄膜.X-射线衍射(XRD) 测试表明所有样品的晶体结构都为四方钙钛矿铁酸铋BiFeO3 结构.由于Ce和Ni共掺杂，XRD显示，峰位置发生偏移.主峰(012/110)峰值在Ni含量x=0.05时峰值最大.扫描电子显微镜(SEM)测试也显示x=0.05时晶粒最大，结晶度最好.光学透射测试显示xBCFNO 薄膜x=0.03时的光学禁带宽度最小，为2.14 eV.铁磁测试结果表明镍铈共掺杂可以进一步提高铁酸铋的室温铁磁性.
铁酸铋 镍铈共掺杂 光学特性 铁磁性 BiFeO3 Ce and Ni co-doping optical properties magnetism
1 安徽大学现代实验技术中心, 物理与材料科学学院, 合肥 230039
2 安徽大学物理与材料科学学院, 合肥 230039
本文对Bi1-xSmxFeO3和Bi1-xLaxFeO3样品的拉曼光谱进行了研究, 结果表明当掺Sm量达15%时, 170 cm-1和272 cm-1模消失, 287 cm-1新模出现, Bi1-xSmxFeO3样品发生了三角到三斜的结构相变; 而当La量达30%时, 175 cm-1、219 cm-1和348 cm-1模消失, Bi1-xLaxFeO3样品才发生三角到正交的结构相变。这归因于Sm的有效离子半径与Bi的差别较大。掺杂导致的拉曼峰蓝移归因于离子间的作用增强。
铁酸铋 掺杂 拉曼光谱 BiFeO3 doping Raman spectrum
