摘要: 多铁材料中存在铁电序、自旋序等多种有序结构，各种有序结构之间的相互作用提供了不同物理量之间相互调控的可能，因此多铁材料在信息存储、传感器、自旋电子学等领域有广泛的应用。铁酸铋(BiFeO3)是目前唯一的单相室温多铁材料，但其反铁磁性导致宏... 展开 多铁材料中存在铁电序、自旋序等多种有序结构，各种有序结构之间的相互作用提供了不同物理量之间相互调控的可能，因此多铁材料在信息存储、传感器、自旋电子学等领域有广泛的应用。铁酸铋(BiFeO3)是目前唯一的单相室温多铁材料，但其反铁磁性导致宏观磁性微弱，使其在多铁应用方面障碍重重。利用尺寸效应和其他元素掺杂是对铁酸铋进行性能优化的可选之路，因此本论文的研究目的在于，通过对晶体尺寸、形貌的控制以及不等价元素的掺杂来对铁酸铋粉体进行性能的优化和拓展，具体包括如下内容: 1.铁酸铋颗粒的可控制备探索了合成方法对铁酸铋颗粒形貌、尺寸及物相的影响。在水热合成过程中，通过改变反应前驱物填充量，使铁酸铋颗粒的尺寸从～30μm的微米球过渡至～10nm的纳米颗粒;通过使用表面活性剂(PEG、SDS)进行辅助合成得到～5μm的BiFeO3微米方晶和微米球;通过在反应过程中加入超声处理，得到边长～300nm的Bi2Fe4O9方晶;通过将反应中使用的矿化剂KOH变为NaOH，生成Bi2Fe4O9方形薄片，边长约1μm。采用溶胶-凝胶的方法生长了～60nm的BiFeO3颗粒。 2.不同尺寸铁酸铋颗粒的性质(1)对用上述方法合成的不同尺寸、形貌的铁酸铋颗粒进行磁性研究。震动样品磁强计(VSM)测试结果表明:微米方晶呈现反铁磁性;纳米颗粒呈超顺磁性，显现出尺寸效应，在外加磁场为7.5T时，纳米颗粒产生的磁矩为0.93emu/g;溶胶-凝胶方法合成的铁酸铋颗粒的饱和磁矩达8.8emu/g，分析表明，磁性来自于反应过程中产生的微量Fe2+杂质;(2)采用低温VSM、变温XRD(X射线衍射)的方法对铁酸铋纳米颗粒的磁性相变温度进行了研究。在低温区，纳米颗粒在22.9K存在超顺磁态到自旋玻璃态的相变;在高温区，纳米颗粒从573K开始有超顺磁态到顺磁态的转变;(3)对单个铁酸铋颗粒的铁电性进行了研究，利用导电原子力显微术(C-AFM)对～5μm铁酸铋方晶进行了电学测量，其电流随电压的变化表明，铁酸铋微米晶体中存在导电探针驱动的“表面电畴翻转”的现象;(4)铁酸铋除了是一种多铁材料之外，还是一种性能优良的多功能材料，在生物上具有一定的应用潜力。基于此，我们对铁酸铋颗粒的毒性进行了研究，针对PC12细胞，采用MTT和PI染色的方法对细胞存活率和凋亡坏死比率与BiFeO3颗粒浓度之间的关系进行了研究。结果发现，BiFeO3颗粒确能导致细胞凋亡和坏死，且细胞成活率与BiFeO3颗粒浓度呈现依赖关系。 3.K元素掺杂的BiFeO3粉体的制备采用K元素对BiFeO3进行差价掺杂，期待优化或者拓展铁酸铋的性能。通过选取合适的表面活性剂(CTAB、PEG、SDS、PVA、PVP、Span-80、Tween-80)进行掺杂研究，获得了一系列结构的K-Bi-Fe-O四元化合物。 4.对K元素掺杂的BiFeO3纳米线和微米棒进行结构和光学、电学特性的研究用透射电镜的成像技术和能谱分析技术对KxBi1-xFeO3-y纳米线和微米棒的结构进行分析，分析得知纳米线为四方晶系，元素比例为Bi:11.55±2.05％，K:9.75±1.24％，Fe:23.83±2.79％，O:54.85±5.61％，晶格常数为:a=b=5.93±0.01(A)，c=16.05±0.01(A)，a=β=γ=90°，Vvol=565.45(A)3;微米棒属于单斜晶系，元素比例为Bi:15.9±2.45％，K:11.4±1.15％，Fe:24.0±4.22％,O:48.6±7.53％,晶格常数为:a=7.92(A)，b=5.63(A)，c=14.40(A)，β=123.3°。对KxBi1-xFeO3-y的纳米线用金属铂做背电极，用C-AFM对其径向导电性进行了研究，测量的I-V曲线显示，纳米线具有高导电性，电导率可达5.56×10-3(Ω·cm)-1。而微米棒在红光到近红外波段有荧光发射峰，峰中心位于761nm处。 收起