摘要: BiFeO<,3>具有三方扭曲的钙钛矿结构，室温下同时具有两种结构有序，即铁电有序(T<,C>～810℃)和G型反铁磁有序(T<,N>～380℃)，是少数室温下同时具有铁电性和磁性的单相铁电磁材料之一。目前，合成BiFeO<,3>粉体的方法主要有高温固相烧结法、溶胶-凝... 展开 BiFeO<,3>具有三方扭曲的钙钛矿结构，室温下同时具有两种结构有序，即铁电有序(T<,C>～810℃)和G型反铁磁有序(T<,N>～380℃)，是少数室温下同时具有铁电性和磁性的单相铁电磁材料之一。目前，合成BiFeO<,3>粉体的方法主要有高温固相烧结法、溶胶-凝胶法和共沉淀法。上述方法往往很难得到纯相的BiFeO<,3>，特别是高温固相法在烧结之后需要借助硝酸去除Bi<,2>Fe<,4>O<,9>和Bi<,25>FeO<,40>)等杂相，使粉体表面粗糙，实验的重复性也不好，所以迄今为止合成纯相的BiFeO<,3>仍然是一个具有挑战性的课题。 本课题分别采用水热法、共沉淀法和溶胶．凝胶法制备了BiFeO<,3>粉体。水热合成可以在较低的温度下进行，所得粉体有良好的结晶和分散等性质，在合适的条件下能得到纯相的BiFeO<,3>。然而目前鲜见水热合成BiFeO<,3>粉体的研究报道，且水热条件有待进一步优化。分别以FeCl<,3>·6H<,2>O和Fe(NO<,3>)<,3>·9H<,2>O为铁源，Bi(NO<,3>)<,3>·5H<,2>O为铋源，氨水为沉淀剂，KOH为矿化剂，采用共沉淀法制备前驱物，水热合成出纯相的BiFeO<,3>粉体。借助X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、能量色散谱仪、差热分析仪和傅立叶变换红外光谱分析对所制备的粉体的晶相结构、显微形貌、化学成分、相变和键性进行了表征，并测试了粉体的磁性能。讨论了铁源、水热处理温度、水热处理时间、矿化剂浓度、前驱物浓度、前驱物陈化时间对粉体晶相结构和显微形貌的影响。并对水热合成BiFeO<,3>粉体的机理进行了初步探讨。 结果表明：以FeCl<,3>·6H<,2>O为铁源时，水热制备纯相BiFeO<,3>粉体的最佳温度范围是150～200℃，产物的显微形貌为薄片状；而以Fe(NO<,3>)<,3>·9H<,2>O为铁源时，合成纯相BiFeO<,3>的最佳温度为180℃，且产物的显微形貌呈不规则状；铁源、水热处理温度、前驱物浓度和前驱物陈化时间对所制备BiFeO<,3>粉体的显微形貌影响很大；所制备BiFeO<,3>粉体的尼尔温度(T<,N>)为301℃，居里温度(T<,C>)为828℃，分解温度为964℃；所制备BiFeO<,3>粉体存在Fe-O键的弯曲振动和伸缩振动，表明FeO<,6>八面体的存在和的钙钛矿结构；采用共沉淀-水热工艺，在150℃，碱浓度仅为0.0.15mol/L的水热条件下即可合成纯相的BiFeO<,3>粉体，大大降低了水热温度，减小了碱浓度，从而节约了能源和成本，减弱了碱对水热设备的腐蚀。 对于水热合成铁酸铋粉体，其晶粒的形成机理主要取决于BiO<,2>·nH<,2>O和Fe<,2>O<,3>·nH<,2>O胶体在KOH碱性溶液中的溶解度。当水热反应温度较高时，前驱物的溶解度较大，此时则以溶解一结晶模型的机理为主；当水热反应温度较低时，前驱物的溶解度较小，溶解一结晶的动力学速度过慢，则前驱物可以经过脱去羟基(或脱水)，原子原位重排而转变为结晶态，此时BiFeO<,3>颗粒的形成主要以原位转变模型为主。 水热条件下合成的BiFeO<,3>粉体的零场磁化率x<,AC>随温度的降低而单调下降，显示出反铁磁结构特性；其磁滞回线随着温度的升高，自发磁化强度明显降低，磁滞回线变窄，剩余磁化强度和矫顽力减小约一个数量级，进一步显示出铁磁性随温度变化的特点。 采用共沉淀法，煅烧温度为750℃时，可得到纯相的BiFeO<,3>，粉体呈不规则形状，颗粒尺寸分布范围较宽，在1μm和5μm之间。这是因为共沉淀反应过程为表面沉淀所控制，沉淀颗粒的生长速率与其表面积成正比，因此随着颗粒的长大，其尺寸分布将越来越宽。 采用溶胶-凝胶法，煅烧温度为500℃时，就可得到纯相的BiFeO<,3>，经600℃煅烧后，晶化更完全，粉体呈不规则形状，粉体颗粒尺寸较大，在200～500nm之间。 收起