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通过对钙钛矿结构BiFeO3陶瓷进行A、B位的替代掺杂,研究了Eu、Co共掺对其介电特性和磁电耦合效应的影响。实验采用快速固相反应法制备了A位Eu掺杂、B位Co掺杂的系列陶瓷样品Bi1-xEuxFe1-yCoyO3(x=0、0.01、0.05、0.1;y=0、0.01、0.05、0.1),采用DX-2000 X射线衍射仪对样品进行XRD物相检测,采用Agilent4294A阻抗分析仪在40 Hz-1 MHz范围内测量样品的介电性能,利用HP3458A型万用表在室温下测量样品的电阻率随掺杂量的变化。研究结果表明:
(1)、从XRD物相分析图像上看,通过快速固相反应法制备的没有掺杂的BiFeO3样品,没有杂相峰的产生,获得了单相的BiFeO3样品,而Eu、Co共掺的系列陶瓷样品Bi1-xEuxFe1-yCoyO3均为三方钙钛矿结构,当Eu、Co的掺杂量为0.01时可以获得单相的Bi1-xEuxFe1-yCoyO3陶瓷样品。当Eu、Co掺杂量大于等于0.05时在2e为25和30之间出现Bi12Co0.6O18.8杂相峰,特别是随着Eu、Co量的增加,杂相Bi12Co0.6O18.8所对应的衍射峰明显增强。所以,对于Eu、Co共掺的Bi1-xEuxFe1-yCoyO3陶瓷样品,最好的替代量应该是Eu、Co的掺杂量小于0.05。
(2)、对于所有样品,其介电常数都随着频率的增加而减小。对于没有掺杂的BiFeO3陶瓷样品,和掺杂的Bi1-xEuxFe1-yCoyO3系列陶瓷样品相比其介电常数比较小,但是没有掺杂的BiFeO3陶瓷样品的介电常数随频率的变化比较小,介电常数的频率稳定性比较高。在特定频率下,样品的介电常数随着Eu、Co的掺杂量的增加,出现了先增大后减小的变化。掺杂少量的Eu3+、Co3+可以改善BiFeO3样品的介电性能,Eu、Co掺杂后样品的介电常数ε均比未掺杂时显著提高,测量频率为1000Hz时,Bi0.99Eu0.01Fe0.99Co0.01O3陶瓷样品的介电常数为1790.5,比未掺杂的BFO样品提高了近一个数量级。对样品的介电损耗的测量可以看出,所有样品的介电损耗随着频率的增加而减小。Eu、Co的掺杂可以显著减小样品的介电损耗,特别是当Eu、Co的掺杂量为0.01时样品Bi0.99Eu0.01Fe0.99Co0.01O3的介电损耗最小,但是随着掺杂量的增加,介电损耗出现了比较复杂的变化。当Eu=0.05、Co=0.05时样品的介电损耗最大,然而当Eu、Co=0.1时介电损耗又下降。所以从提高样品介电特性方面来看,Eu、Co最佳掺杂量为0.01。
(3)、利用HP4294A精密阻抗分析仪,在外磁场的作用下,在特定的频率测量样品的介电常数随磁场的变化,其实验结果显示:没有掺杂的BiFeO3陶瓷样品的介电常数在特定频率下随磁场的变化很小,说明纯的BiFeO3陶瓷样品的磁电耦合效应很弱。Eu、Co掺杂的Bi1-xEuxFe1-yCoyO3系列陶瓷样品的介电常数基本上都是随着磁场的增加而增加,表现出相应的磁电耦合效应,在特定频率下,样品Bi0.99Eu0.01Fe0.99Co0.01O3和样品Bi0.95Eu0.05Fe0.95Co0.05O3呈现出较强的磁电耦合效应:测量频率为10kHz时、样品在4500Gs磁场下的MD值分别达到了3.2％和4.37％,与未掺杂的BFO样品相比,分别提高了20和25倍。但是样品Bi0.99Eu0.01Fe0.9Co0.1O3的介电常数在磁场强度为3500高斯时出现了减小的趋势。所以从提高样品的磁电耦合系数方面来说,最佳的掺杂量为Eu=0.05、Co=0.05。
(4)、Eu、Co的掺杂使样品的电阻率发生很大的变化,随着Eu、Co掺杂量的增加,样品的电阻率呈现先增大后减小的现象,当Eu、Co掺杂量为0.01时样品的电阻率达到最大值,而当Eu、Co掺杂量为0.05时样品的电阻率达到最小值,当Co的含量为0.01时,样品的电阻率随Eu的掺杂量的增加而减小,但减少的幅度很小。Co的含量对掺杂样品的电阻率影响比较大,当Co的含量大于等于0.05时,样品的电阻率有很大幅度的下降,低于没有掺杂的BiFeO3陶瓷样品的电阻率。