双位取代对单相多铁性BiFeO3陶瓷材料结构和性能的影响(3)
多相／复合多铁性材可以克服单相多铁性磁电材料种类有限、磁电效应很微弱、可观察到磁电效应的温度太低低，无法实际应用的缺点。多铁性磁电复合材料可具有室温下的磁电耦合效应。
多相／复合多铁性材料一般是通过磁致伸缩和压电效应的乘积获得很大的磁电效应。多相／复合多铁性材料主要是利用压电相和压磁相混合制备具有磁电耦合效应，而通过微结构设计制备铁电铁磁复合层、固溶体等系列复合多铁性材料。多相／复合多铁性材料是通过纯相的铁电材料与铁磁材料经过加工，复合而成。表现出了纯相材料的特性，即铁电性与铁磁性的同时，这两种特性之间的极化耦合作用还能够表现出磁电耦合效应。这种磁电耦合效应是通过铁电相的压电效应与铁磁相的磁致伸缩效应的乘积效应来共同实现的[6]。
图1.1 电磁耦合效应示意图
人造的多相／符合多铁性材料主要有铁电、铁磁单相材料的复合压层、嵌入式和混合型复合材料。
层状复合材料主要是将铁电相与铁磁相采用共烧、流延、粘结等方法复合在一起形成叠层结构。层状复合材料已经从早期的铁电相和铁磁相两层结构，发展到今天的铁电／铁磁／铁电的三层结构。层状多铁性复合材料的结构、制备都比较简单，但是由于两相之间只是宏观的接触，乘积效应不能得以发挥，这样就限制了该材料的应用范围[7]。
另一种复合压层式多相／复合多铁性材料是薄膜复合材料。薄膜复合材料一般可分为两大类，一类是在铁电相上镀上铁磁相薄膜或是在铁磁相上镀上铁电相薄膜；另一类是在基片上间隔镀上铁电相和铁磁相的双层薄膜或多层薄膜。镀膜的方法也有很多种，较为常用的有磁控溅射法、脉冲激光沉积法等[8]。通过这种方法可以制备出CoFe2O4-BaTiO3纳米复合结构薄膜[9]和具有室温多铁性的BiFeO3薄膜[10] 。
嵌入式多相／复合多铁性材料的主要形式时以有机聚合物为基体的复合材料。这种复合材料是将纯相的铁电材料与铁磁材料充分研磨、均匀混合之后加入聚合物，然后充分的搅拌，再在一定条件下引聚聚合物单体，让它们固化，得到多铁性复合材料。这种材料的好处是两相材料可以均匀混合，而且制备方法比较简单、材料易于加工还可以利用聚合物柔韧性较强的特点制备薄膜状的多铁性复合材料。但是，由于是有机聚合物，所以材料的抗腐蚀性和抗老化性都不是很好。对材料的使用条件有较多的限制。
混合型多相／复合多铁性材料主要是以颗粒复合的方式实现的。对于颗粒复合，主要是将铁电相与铁磁相的纳米颗粒按一定的比例进行均匀混合，然后通过烧结使之形成多铁性陶瓷材料。用这种方法制备出的复合多铁性材料，磁电耦合系数一般较高，并且两种材料的配比简单，烧结温度容易控制，烧结工艺比较简单，材料的成本也比较低[11]。
1.2单相多铁性BiFeO3陶瓷材料
BiFeO3是一种具有菱形扭曲结构的钙钛矿结构的多铁性材料，是少数能够在室温以上同时具有铁电性和铁磁性的单相多铁性材料。BiFeO3具有两种有序结构，贴点有序和G型反铁磁有序。BiFeO3的铁磁居里温度为1103K、反铁磁奈尔温度为643K、自发极化值为100µC／cm²，这使得BiFeO3成为一种可以在室温下进行应用的磁电材料。
1.2.1单相多铁性BiFeO3陶瓷材料的结构及性能
BiFeO3是一种钙钛矿结构氧化物。理想的钙钛矿氧化物的ABO3结构是简单立方晶胞结构，离子半径较大的A位离子占据立方的顶点，与氧离子形成12配位，小半径的B位离子位于立方体的体心，与氧形成6配位，同时B位离子还与氧形成BO6八面体，氧离子位于面心，并且周围有2个B位离子和4个A位离子。钙铁矿结构的材料在现实存在中通常不是严格的立方结构，由于大部分的钙钛矿结构晶体很容易出现通过B位离子的相对位移或是氧八面体的旋转导致的晶格畸变，从而导致对称性降低，产生一定的扭曲变形，这使得钙铁矿结构材料的晶体的单胞往往包含不止一个ABO3结构。
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