一種層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多鐵性薄膜材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多鐵性材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多鐵性薄膜材料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多鐵性材料是集磁性和電性于一體的材料，而且具有磁電耦合效應(yīng)，因此多鐵性材料在自旋電子學(xué)和其它領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前發(fā)現(xiàn)的單相多鐵性材料種類十分有限，而且性能較差，要么是磁性轉(zhuǎn)變溫度或鐵電轉(zhuǎn)變溫度很低，要么鐵電性能和鐵磁性能都很微弱，要么磁電耦合效應(yīng)很微弱，這對于其應(yīng)用是一個巨大的瓶頸。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中具有Aurivillius相結(jié)構(gòu)的多鐵性材料的制備方法均存在著不足之處，傳統(tǒng)固相反應(yīng)法會導(dǎo)致原料分散不夠均勻，因此最終制備的樣品的組分可能不夠精準(zhǔn)，而且粉末燒結(jié)成相的溫度通常要求很高，容易導(dǎo)致鉍元素的揮發(fā)和氧從晶格中脫離，從而引入較多的鉍缺陷和氧空位，這些制備手段上的缺陷都制約了材料的性能的改善。雖然這類多鐵性材料中存在著室溫下鐵磁和鐵電共存的現(xiàn)象，但剩余電極化強度和剩余磁化強度都很小，而且存在明顯的漏電流行為，所有這些缺陷都制約了其應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多鐵性薄膜材料及制備方法，該多鐵性薄膜材料同時具有優(yōu)異的鐵電和鐵磁性能，且制作工藝簡單、易掌握，所需的設(shè)備少、燒結(jié)磁場低、燒結(jié)成相溫度低、制備的成本低，利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
[0005]一種層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多鐵性薄膜材料，所述多鐵性薄膜材料由鉍、鐵、鈷、鈦和氧元素組成薄膜，其中:
[0006]所述薄膜的化學(xué)式為Bin+1Fen_3_xCoxTi303n+3，其中Bi為鉍、Fe為鐵、Co為鈷、Ti為鈦、O為氧，Rn ^ 4,n為整數(shù)，O < X彡(n-3) /2 ；
[0007]所述多鐵性薄膜材料的厚度為400?lOOOnm，由致密排列的片狀顆粒構(gòu)成，所述顆粒的粒徑為20?300nm。
[0008]一種層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多鐵性薄膜材料的制備方法，所述制備方法包括:
[0009]首先按照鉍、鐵、鈷和鈦的摩爾比為1.1 (n+1): (n-3-x): x: (3n+3)的比例，稱量乙酸鉍、醋酸亞鐵、乙酸鈷和正丁醇鈦；其中，η彡4，η為整數(shù)，O <χ^Ξ (n-3)/2 ;
[0010]依次將所述正丁醇鈦、乙酸鉍、醋酸亞鐵和乙酸鈷加入到攪拌下的丙酸溶液中至完全溶解，再于室溫下攪拌至少6h，得到濃度為0.1?0.15mol/L的前驅(qū)體溶液，并放置3-7 天；
[0011]將所得到的前驅(qū)體溶液涂覆至基底上，并于80?120°C下加熱至少5min，得到其上覆有凝膠膜的基底；
[0012]再將該覆有凝膠膜的基底置于380?420°C下熱解至少lOmin，得到其上覆有薄膜的基底；
[0013]重復(fù)上述的涂覆、加熱和熱解的過程至少10次；
[0014]將所得到的覆有多層薄膜的基底放進爐子內(nèi)，使放置好的一部分薄膜的表面與磁場方向垂直，另一部分薄膜的表面與磁場的方向平行或成一定的夾角；
[0015]將強磁場運行到設(shè)定的目標(biāo)值，并通入流動的氧氣，將爐子的溫度升到680?720°C，在此條件下進行強磁場燒結(jié)至少30min ;
[0016]再使用物理的方法分離多層薄膜與基底，最終得到所述層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多鐵性薄膜材料。
[0017]在將所得到的前驅(qū)體溶液涂覆至基底時，所述的涂覆為旋涂或浸漬或噴涂；
[0018]且所述旋涂時的轉(zhuǎn)速為5000?7000r/min，時間為10?120s。
[0019]所采用的基底為金屬基底，或陶瓷基底，或半導(dǎo)體基底，其中:
[0020]所述金屬基底為鉑片或鈦片；
[0021]所述陶瓷基底為二氧化硅片或鋁酸鑭片或鈦酸鍶片；
[0022]所述半導(dǎo)體基底為硅片。
[0023]所述強磁場優(yōu)選為磁場強度^ 2T的穩(wěn)態(tài)強磁場。
[0024]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，該多鐵性薄膜材料同時具有優(yōu)異的鐵電和鐵磁性能，且制作工藝簡單、易掌握，所需的設(shè)備少、燒結(jié)磁場低、燒結(jié)成相溫度低、制備的成本低，利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0025]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0026]圖1為本發(fā)明實施例所提供層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多鐵性薄膜材料的制備方法流程示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明實施例制得的目標(biāo)產(chǎn)物的X射線衍射(XRD)表征結(jié)果示意圖；
[0028]圖3為本發(fā)明實施例制得的目標(biāo)產(chǎn)物在鐵電測試工作臺上進行表征的結(jié)果示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明實施例制得的目標(biāo)產(chǎn)物使用磁性質(zhì)測量系統(tǒng)進行表征的結(jié)果示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0031]本發(fā)明實施例所提供的制備方法采用化學(xué)溶液沉積法和強磁場條件下的材料合成技術(shù)，制備出在室溫下同時具備優(yōu)異鐵電性能和鐵磁性能的層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多鐵性材料。該多鐵性薄膜材料由鉍、鐵、鈷、鈦和氧元素組成薄膜，其中:所述薄膜的化學(xué)式為Bin+1Fen_3_xCoxTi303n+3，其中Bi為鉍、Fe為鐵、Co為鈷、Ti為鈦、O為氧，Rn ^ 4, η為整數(shù)，O< X 彡(n-3)/2 ο
[0032]另外，所述多鐵性薄膜材料的厚度為400?lOOOnm，由致密排列的片狀顆粒構(gòu)成，所述顆粒的粒徑為20?300nm。下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例所提供多鐵性薄膜材料的制備過程進行說明，如圖1所示為本發(fā)明實施例所提供層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多鐵性薄膜材料的制備方法流程示意圖，所述制備方法包括:
[0033]步驟11:首先按照鉍、鐵、鈷和鈦的摩爾比為1.1 (η+1): (η_3_χ): χ: (3η+3)的比例，稱量乙酸鉍、醋酸亞鐵、乙酸鈷和正丁醇鈦；
[0034]在該步驟中，具體的比例中η彡4，η為整數(shù)，O < x ^ (η_3)/2。
[0035]步驟12:依次將所述正丁醇鈦、乙酸鉍、醋酸亞鐵和乙酸鈷加入到攪拌下的丙酸溶液中至完全溶解，再于室溫下攪拌至少6h，得到濃度為0.1?0.15mol/L的前驅(qū)體溶液，并放置3-7天；
[0036]步驟13:將所得到的前驅(qū)體溶液涂覆至基底上，并于80?120 °C下加熱至少5min，得到其上覆有凝膠膜的基底；
[0037]在該步驟中，所述的涂覆為旋涂或浸漬或噴涂；且所述旋涂時的轉(zhuǎn)速為5000?7000r/min，時間為10?120s。這樣除便于實施之外，還利于獲得較高品質(zhì)的凝膠膜。
[0038]所采用的基底為金屬基底，或陶瓷基底，或半導(dǎo)體基底，其中:
[0039]所述金屬基底為鉑片或鈦片；所述陶瓷基底為二氧化硅片或鋁酸鑭片或鈦酸鍶片；所述半導(dǎo)體基底為硅片。這樣不僅使得基底的來源較為豐富，還使制備工藝更易實施且靈活。
[0040]步驟14:再將該覆有凝膠膜的基底置于380?420°C下熱解至少lOmin，得到其上覆有薄膜的基底；
[0041]步驟15:重復(fù)上述的涂覆、加熱和熱解的過程至少10次；
[0042]步驟16:將所得到的覆有多層薄膜的基底放進爐子內(nèi)，使放置好的一部分薄膜的表面與磁場方向垂直，另一