Bi位掺杂BiFeO3陶瓷的制备与表征(6)
虽然BiFeO3具有很高的居里温度(铁电TC～1103K，反铁磁TN～643K)，但是它的电极化不大，具有空间调制螺旋G型反铁磁结构，只有很小的二级磁电耦合效应。BiFeO3为基础的系列样品要实现良好的磁电性能，必须改变BiFeO3的晶格。通过衬底或者外加磁场等施加外应力、氧空位等缺陷或者离子掺杂施加内应力都可以改变ABO3晶格，从而获得良好的磁电性能。BiFeO3的A位或B位掺杂样品，制备工艺简单成本低，因此掺杂样品具有更广泛的应用价值。
A位掺杂：选择A位掺杂元素时，首先应保证元素为+3价，并排除放射性元素及锕系后的不稳定和放射性元素，只有稀土元素La,、Nd、Ce、Dy、Tb、Gd、Eu、Sm、Pr、Lu符合。RFeO3 (R为稀土元素)一般为正交结构，所以这些元素的掺杂能有效地调制铁酸铋的结构。
B位掺杂：Fe的电负性为1.83，Fe3+半径为64.5pm，组态为3d6 4s2。可以用于掺杂的+3价元素如表1-1所示。
表1-1 B位掺杂元素的选择比较[35]
元素 正三价离子半径（pm） 电负性差 常见价态 组态 离子偏离率（%）
Ga(31) 62 -0.02 +3 4s2 4p1 -3.9
Mn(25) 64.5 0.28 +1,+2,+3,+4,+6,+7 3d5 4s2 0
Cr(24) 62 -0.17 +2,+3,+6 3d5 4s1 -3.9
Ti(22) 67 -0.29 +2,+3,+4 3d2 4s2 3.9
Co(27) 61 0.05 +2,+3 3d7 4s2 -5.4
Ni(28) 60 0.07 +2,+3 3d8 4s2 -7.0
Nb(41) 70 -0.23 +2,+3,+5 4d4 5s1 8.5
V(23) 64 -0.20 +2,+3,+4,+5 3d3 4s2 -0.8
Ta(73) 67 -0.33 +3,+5 5d3 6s2 3.9
Mo(42) 67 0.33 +2,+3,+6 4d5 5s1 3.9
Ru(44) 70 0.39 +2,+3,+4,+5 4d7 5s1 8.5
对B位进行掺杂，可有效地提高磁性能，因为B-O-B键角几乎为180°，B位离子可以通过氧离子与Fe3+进行较强的交换作用，并且掺入的元素离子会打破磁结构的周期性，从而抑制或者破坏磁螺旋结构，以致于实现磁性的提高。从表1可以看出，Co和Ni与Fe的电负性差最小；Mn和V的离子半径与Fe最相近；Mn、Cr、Co、V、Ti、Ni都有利于提高BiFeO3的磁性能，并且也能调制铁酸铋的结构。
其他掺杂方式：有时为了同时实现铁磁性能和铁电性能的提高，需要A位、B位多掺或者A-B位双掺。
1.4 本文研究的内容和意义
本文在引言一章中系统地阐述了铁电体的定义、性能特征及应用，并介绍了铁酸铋作为性能卓越的铁电材料，根据现阶段研究提供的文献数据辩证分析其优势与不足，引入掺杂改性的概念，解释了掺杂改性之所以对铁酸铋基陶瓷意义重大的原因。在实验制备与测试一章中详细介绍了样品制备工艺与测试系统，采用快速升温液相烧结的方法制备出Bi1-xDyxFeO3系列陶瓷样品。在实验结果与分析一章中，分析XRD,Raman光谱数据以判断样品的晶体结构与相变组分点；分析室温d33值、高温退火d33值和相对介电常数以判断相变组分点和压电性的变化趋势；分析电滞回线以其饱和极化强度；最后针对长期实验中发现的快烧BiFeO3的自极化现象建立模型做出解释。