[发明专利]具有多铁性的稀土掺杂铁酸盐材料及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一类系列稀土掺杂多铁性铁酸盐材料及其制备方法，属于多铁性材料及制备工艺技术领域。

背景技术

多铁材料能够实现外磁场对极化矢量和外电场对磁化矢量的控制和反转，使得电场（磁场）控制的磁（铁电）数据存储成为可能，这大大扩展了多铁性材料的应用空间，因此成为当前国际功能材料领域中的一个研究热点。

然而，自第一种铁电磁体问世以来所发现的单相多铁性材料均尼尔温度低，多在100K左右，磁电响应小，并且随着温度的升高其磁电效应降低很快，故远远不能满足实际应用的要求。为了得到磁电性能较好的磁电材料，常常采用离子掺杂、原子取代、改变外延生长条件等来改善其性能。目前，国际国内研究的多铁性材料多集中于铁电-铁磁复合材料，对设计室温下具有多重铁性单相磁电材料的研究还很少。

研究发现，改善单一材料多铁性的途径主要通过离子掺杂、原子取代、控制晶体的生长工艺等。Hongri Liu 等人，利用溶胶—凝胶法合成了Ti 离子掺杂的BiFeO₃薄膜，Ti离子的掺入使该体系的介电常数、室温下的铁电性能得到了提高；很多的研究者报道了关于稀土元素掺杂钙钛矿结构的铁酸铋，发现由于稀土离子特殊的电子排布及离子半径能够对其晶格结构以及晶粒尺寸产生很大影响以致影响其室温的铁磁、铁电性能(Journal of Sol-Gel Science and Technology, 41卷, 2期, 123页, 2007年.)。M. B. Bellakki 等人用柠檬酸盐凝胶制备了稀土Y³⁺掺杂的BiFeO₃，发现Y³⁺离子的掺入促进了铁酸铋晶体结构的扭曲，致使其亚铁磁性增强(Journal of Sol-Gel Science and Technology，53卷，184页，2010年.)。Zhenping Chen 等人用液相烧结技术制备了Gd³⁺掺杂的BiFeO₃，Gd³⁺离子提高了该体系的磁性、铁电性(Journal of superconductivity and novel magnetism, 23卷, 527页, 2010年.)；还有P. Uniyal 等人(Journal of physics：condensed matter, 21卷, 1期, 2009年.)，K. S. Nalwa等人(Materials Letters 62卷, 878页, 2008年.)、Z. X. Cheng等人(Journal of Applied Physics, 103卷, 2008年.)、 P. Uniyal 等人(Journal of physics：condensed matter, 21卷, 40期, 2009年.)分别对铁酸铋体系进行了Dy³⁺、Sm³⁺、La³⁺、Pr³⁺离子掺杂，研究发现这些稀土离子的掺杂对铁酸铋体系的铁磁、铁电性能都有所提高，由此可见，适当的稀土离子掺杂是实现材料多铁性能的有效途径。相比之下，对稀土掺杂的尖晶石型铁酸盐化合物的研究较少。

    我们前面的研究工作发现铁酸锌及其一些过渡金属离子和主族金属离子掺杂的尖晶石型铁酸盐化合物（M_xZn_1-xFe₂O₄，M_xM’_yZn_1-x-yFe₂O₄，M为铍、镁、钙、锶、钡、锡、铅、镉、锰、铁、钴离子中的一种，M’ 为铍、镁、钙、锶、钡、锡、铅、镉、锰、铁、钴离子中的一种。）具有铁磁性和铁电性（见中国发明专利申请号201110171338.X，名称为尖晶石型多铁性材料及其合成方法）；最近我们又发现通过稀土元素离子掺杂引入铁酸锌中，同样能获得室温下具有铁磁性和铁电性的多铁材料；且利用不同稀土元素离子的添加可以调控材料的磁性和改善提高材料的铁电性，进而为该类材料用于信息存储器、换能器、传感器等技术领域奠定了更加坚实的基础。

发明内容

本发明提供了稀土掺杂的多铁性铁酸盐及其制备方法，该方法采用廉价易得的原料，利用溶剂热方法，合成一系列稀土掺杂的多铁性铁酸盐化合物。由于该方法制备工艺简单，控制方便，合成条件温和，产品性能优异，将在多功能信息材料、磁场调制的电传感器等领域拥有广阔的市场前景。