多铁磁电复合材料—功能材料领域的闪亮新星

在功能材料研究领域,人工复合的多铁磁电材料因具有室温环境下特殊的磁电性能——铁电有序和铁磁有序共存及"磁-力-电"转换特性(磁电耦合效应),在磁传感器、换能器、微波器件、存储器等方面有着十分诱人的实用价值与应用前景。本文在回顾多铁磁电复合材料背景知识的基础上,重点介绍磁电复合材料磁电耦合机理、设计原理、制备方法与研究现状、理论分析方法与磁电效应表征方法相关内容,最后总结、展望多铁磁电复合材料未来研究中的一些重要问题。

新型近红外超长余辉材料Zn_3Al_2Ge_2O_(10)∶Cr^(3+)的发光性能

采用高温固相法制备了新型近红外长余辉材料Zn3Al2Ge2O10∶Cr3+,利用X射线衍射、荧光光谱和余辉衰减曲线等对合成的样品进行了分析。结果表明:样品Zn3Al2Ge2O10∶Cr3+是Ge4+取代ZnAl2O4∶Cr3+尖晶石中的部分Al3+而形成的固溶体。在397 nm光的激发下,发射光谱主要由两个明显的窄峰叠加在Cr3+离子的自旋允许跃迁4T2→4A2辐射的宽发射带上。发光强度随着Cr3+离子掺杂浓度的增大和煅烧温度的升高而出现浓度猝灭及温度猝灭现象。当Zn3Al2-xGe2O10∶xCr3+中的Cr3+离子掺杂量x为2%且煅烧温度为1 350℃时,样品的近红外发光及余辉强度最大。材料的余辉持续时间超过300 h,余辉发射谱峰位与荧光发射光谱中的N线一致,均位于697 nm附近。最后分析了煅烧温度对样品余辉性能的影响,并对材料的余辉机制进行了探讨。

MgB_2超导材料掺杂研究进展

元素掺杂可以提升MgB2在磁场中的性能,解决其超导性能在磁场环境下的退化问题,对MgB2超导材料的应用具有重大意义。介绍了元素掺杂MgB2的目的及作用机理,从薄膜、块材、线带材3个方面具体综述了纳米SiC和有机物掺杂MgB2超导体的研究进展,系统总结了烧结温度及有机物掺杂量对MgB2超导体的性能影响,深入分析了有机物掺杂改善MgB2超导性能的微观原因。

压电层体积分数对BTO基复合薄膜磁电性能的影响

基于力学参数模型研究了NFO/BTO层状复合薄膜的磁电效应,发现当压电相的体积分数约为0. 47时,磁电耦合性能最好。通过脉冲激光沉积法在掺0. 7%Nb的(001)-STO衬底上生长了不同体积分数比的2-2型NFO/BCZT异质结构的磁电复合薄膜。XRD结果表明:NFO/BCZT磁电复合薄膜均为(00l)择优取向生长结构。通过锁相技术测试了NFO/BCZT复合薄膜的磁电耦合系数,测试结果表明压电相体积稍大于铁磁层体积时,磁电性能最佳。实验结果与理论结果存在一定差异,主要是由于材料实际参数与计算所用参数有差异、界面的非理想耦合无法得到准确的k值以及复合薄膜微观结构、应力等影响。

掺铝氧化锌薄膜的制备与表征及其与铁电薄膜复合的性能研究

采用激光脉冲沉积方法在SiO_2衬底上制备了掺铝氧化锌(AZO)薄膜,X射线衍射分析(XRD)薄膜呈现六角形结构的c轴取向,掺杂后的氧化锌电阻率有明显的下降,并且在可见光区域有很高的透过率,通过椭偏仪测量并拟合了薄膜其它光学性质。用Tauc-Lorentz色散模型表征了不同掺杂浓度的薄膜的折射率和消光系数,随着掺杂浓度升高透射光谱的吸收边向短波长移动,这与所拟合得到的带隙展宽相符。通过采用溶胶凝胶法(Sol-gel)制备了(Pb_(0.9)La_(0.1))(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3(PLZT)薄膜,并且制备了在PLZT薄膜沉积AZO形成AZO/PLZT的复合薄膜,通过电子显微镜观测了复合薄膜的表面形貌和截面结构,当电场强度为300 k V/cm时,测试复合薄膜铁电性时得到清晰的电滞回线,这为铁电薄膜晶体管的制备提供了可行性。

Ga0.8Fe1.2O3/Ba0.8Ca0.2Ti0.8Zr0.2O3复合薄膜的制备和铁电性能研究

采用脉冲激光沉积工艺在(111)取向的SrTiO 3衬底上,制备了Ga0.8Fe1.2O3/Ba0.8Ca0.2Ti0.8Zr0.2O3层状复合薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM),表征了样品薄膜的表面形貌及微观结构。从样品的XRD图谱可以看出,该复合薄膜的BCZT层呈(111)取向,而GFO层沿b轴自发极化,呈(0l0)取向。物性测试结果表明:GFO/BCZT复合薄膜表现出良好的电磁学特性,其剩余极化值P r=11.28μC/cm^2,饱和磁化强度Ms^49.17 emu/cm 3,同时该复合薄膜室温下最大磁电耦合系数αE可达28.38 mV/(cm·Oe)。这种无铅的磁电复合薄膜为传感器、换能器和多态存储器的潜在应用提供了新的思路。

共掺杂LiGa_5O_8∶Cr^(3+)长余辉材料的制备及发光特性

采用高温固相反应法制备了Si^(4+)、Ge^(4+)和Sn^(4+)离子掺杂的LiGa_5O_8∶Cr^(3+)长余辉材料,系统研究了掺杂对LiGa_5O_8∶Cr^(3+)光致发光和长余辉性能的影响。实验结果表明,所制备的系列材料能产生650~800nm的近红外余辉发射,主发射峰位于717nm,来源于Cr^(3+)离子的2E→4A2特征跃迁,与未进行掺杂的样品相比,掺杂Si 4+、Ge^(4+)和Sn^(4+)离子的LiGa_5O_8∶Cr^(3+)余辉发光强度均得到增强,余辉性能显著改善。热释光测试结果表明,Si 4+、Ge^(4+)和Sn^(4+)离子掺入主要提高了LiGa_5O_8∶Cr^(3+)的陷阱浓度,且使得有效陷阱的数量增加,从而改善了LiGa_5O_8∶Cr^(3+)的余辉性能。

新型红色荧光粉NaLa_(0.7)(MoO_4)_(2-x)(WO_4)_x∶0.3Eu^(3＋)的制备及发光性质研究

采用高温固相法合成具有余辉性能的发光材料NaLa_(0.7)(MoO_4)_(2-x)(WO_4)_x∶0.3Eu^(3+)(x=0,0.5,1,1.5,2)。用X射线衍射(XRD)和荧光光谱对样品的晶体结构和发光特性进行表征。测试结果表明,在900℃下烧结8 h所合成的NaLa_(0.7)(MoO_4)_(2-x)(WO_4)_x∶0.3Eu^(3+)样品为纯相Na La(Mo O_4)_2,样品可被近紫外光393nm和蓝光462 nm有效激发,其发射主峰位于615 nm处,属于Eu3+的5D0-7F2跃迁。Na La_(0.7)(Mo O_4)_(2-x)-(WO_4)_x∶0.3Eu^(3+)的发光强度随着W6+浓度的增加而增大,当W6+掺杂量x=1时发光最强,而后随W6+掺杂浓度的增加出现浓度猝灭现象。通过计算得到样品在393 nm和462 nm激发下的色坐标,当W6+的掺杂量x=1时,样品的红光色纯度最好。

0.65BaTiO3-0.35Na0.5Bi0.5TiO3薄膜的制备及其电学性能研究

采用脉冲激光沉积法制备了0.65BT-0.35NBT/SRO/STO异质结构薄膜。通过XRD、AFM和SEM分析了0.65BT-0.35NBT薄膜的微观结构。XRD结果表明:0.65BT-0.35NBT为钙钛矿结构,其薄膜为沿c轴择优取向生长结构。0.65BT-0.35NBT薄膜表现出优异的铁电和压电性能,剩余极化强度达到38.1μC/cm^2。0.65BT-0.35NBT薄膜的居里温度(Tc^223℃)明显高于BTO的居里温度,是一种具有优异电学性能和较高的居里温度的BTO基铁电材料。

荧光粉Zn_3Ga_2(Ge/Si)_2O_(10)∶Cr^(3+)的制备与发光性能研究

采用高温固相法制备了新型近红外长余辉荧光粉Zn3Ga2(Ge/Si)2O10∶2.5%Cr3+.利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、荧光光谱(PL)和余辉测试等手段对所制备的样品进行结构表征和发光性能的分析。研究结果表明Zn3Ga2Ge2O10∶Cr3+和Zn3Ga2Si2O10∶Cr3+荧光粉性能差别很大。样品的激发和发射光谱均为宽带谱,且发射光谱(Cr3+的4T2→4A2跃迁引起的650 nm到800 nm宽带谱)的最大峰值位于698 nm左右,属于Cr3+的2E→4A2跃迁,为近红外发射。样品在380 nm到650 nm之间呈现出两个宽吸收带,属于Cr3+离子4T2→4A1和4T2→4A2能级跃迁。样品在用中心波长为365 nm的紫外灯激发之后,呈现出了长达30多小时的余辉衰减特性。

Eu^3+掺杂浓度及基质氧空位对Ca^2-xEuxSnO4发光性能的影响

采用高温固相法制备Ca_(2-x)SnO_4:xEu^(3+)(x=0,0.001,0.005,0.01,0.015,0.02)发光材料,分别在空气和真空氛围中进行烧结,研究Eu3+掺杂浓度及基质中氧空位对样品发光性能的影响。随着Eu^(3+)离子浓度的增加,发射强度呈逐渐增大的趋势,主发射峰由两个分别位于614 nm和618 nm的峰逐步合为一个位于616nm的发射峰。在Ca_(2-x)SnO_4∶xEu^(3+)样品的激发光谱中,存在着200~295 nm的Eu^(3+)-O^(2-)电荷迁移带,随着Eu^(3+)离子浓度的增加,电荷迁移带的峰位由271 nm红移到286 nm。此外,在Eu^(3+)离子掺杂浓度相同的情况下,真空中烧结得到样品的发光强度是空气中烧结得到样品的2倍。这是由于在真空氛围中烧结产生的氧空位增加使得传导电子密度升高,导致发光强度增加。而且,氧空位的增加导致电子陷阱的增多,这使得Ca_(2-x)SnO_4∶xEu^(3+)样品的余辉性能得到了很大程度的提高。

形貌可控的CdS微米/纳米结构的表征和发光性能(英文)

利用简单的热蒸发CdS粉末方法,可合成出高质量的CdS微米柱。通过调控Si衬底上Au膜的厚度,能够大面积合成出尺寸均一的CdS纳米带和纳米棒。系统地研究了所合成样品的相、微结构和光致发光特性。室温下样品的发光结果表明可在所合成CdS微米柱上观察到位于约512 nm对应于其带隙的强发光峰。与CdS微米柱不同的是,可在所合成的CdS纳米带和纳米棒样品上分别观测到位于约521和543 nm,528和550 nm处对应于带边附近的发射强峰。并且,所合成的CdS纳米带和纳米棒展现出位于约710和712 nm位置处的宽峰,该峰的出现与结构缺陷、离子缺陷或杂质有关。与CdS纳米带的发光性能相比,所合成的CdS纳米棒表现出增强的发光性能。

前驱B膜沉积时间对MgB_2薄膜超导特性的影响

利用化学气相沉积法(CVD)在多晶Al2O3衬底上制备出了系列MgB2超导薄膜,研究了前驱硼膜沉积时间对MgB2薄膜超导特性的影响,通过XRD、SEM和R-T曲线对超导MgB2薄膜进行了表征。延长前驱硼膜的沉积时间,得到的硼膜结晶度越高,结构更致密。经退火后制备的MgB2薄膜表面富余的Mg可以改善晶粒间的连接,提升T c值。该实验沉积10min前驱硼膜得到的MgB2超导薄膜T c值为34K,且超导转变宽度比较窄。延长前驱硼膜沉积时间到15min后,薄膜的T c值降低,这是由于前驱硼膜较多,Mg和硼反应不充分所导致的。

红色荧光粉Sr_(1-x)Bi_2Ta_2O_9:xRE^(3+)(RE=Pr,Eu)的发光性能研究

采用固相反应法制备了Sr1-xBi2Ta2O9:xPr3+(SBT:xPr3+)和Sr1-xBi2Ta2O9:xEu3+(SBT:xEu3+)红色荧光粉材料。通过X射线衍射和扫描式电子显微镜图谱,分析和研究了在低掺杂浓度时,掺杂离子对SrBi2Ta2O9的晶体结构和形貌的影响。利用荧光光谱仪测试了SBT:xPr3+和SBT:xEu3+荧光粉的激发和发射光谱。当样品SBT:xPr3+采用449 nm激发时,其主发射峰位于616 nm和653 nm;样品SBT:xEu3+采用464 nm激发时,其主发射峰位于590 nm和616 nm。作为一种潜在的LED用红色荧光粉,其温度稳定性也是十分重要的性质之一。本文对样品SBT:0.02Pr3+和SBT:0.2Eu3+在50~300℃之间的温度稳定性进行了分析。

用于铁电BaTiO_3薄膜的Ta_2O_5隔离埋层(英文)

BaTiO3薄膜的铁电性通常会受到界面效应的影响而衰减。提出了使用Ta2O5作为隔离层能够有效抑制界面效应。利用脉冲激光沉积技术,在(100)晶向的SrTiO3衬底上成功制备了BaTiO3/Ta2O5/SrRuO3三层复合薄膜结构。样品的XRD结果表明所得到的薄膜为四角结构的BaTiO3,样品的三层膜结构能够在场发射扫描电镜(FESEM)中清楚观察到。实验所测的电滞回线表明该三层BaTiO3/Ta2O5/SrRuO3薄膜的饱和极化强度、剩余极化强度和矫顽电压分别是58.7μC/cm2,20.6μC/cm2,20.3 V。与两层的BaTiO3/SrRuO3薄膜相比,该BaTiO3/Ta2O5/SrRuO3三层复合薄膜能够表现出更加优异的铁电性。因而,提供了一个能使BaTiO3薄膜的集成变得简单可行的方法,并且可以用作提升相关铁电器件的性能。

Gd^(3+) 、Co^(3+)共掺杂铁酸铋薄膜多铁性增强及带隙调谐

多铁功能材料在现代生产生活中有举足轻重的作用。本文采用溶胶-凝胶法以硝酸铁、硝酸铋、硝酸钆、硝酸钴为原料,乙二醇甲醚为溶剂,柠檬酸作螯合剂制成前驱体溶液,通过旋涂法在Pt/Ti/SiO_(2)/Si及ITO衬底上合成Bi_(0.85)Gd_(0.15)Fe_(1-x)Co_(x)O_(3)(x=0,0.04,0.08,0.12)薄膜,研究了Gd^(3+)、Co^(3+)共掺杂对薄膜铁电性能、磁学性能及光学带隙的影响。XRD结果表明所有薄膜均呈(111)方向的菱形结构,SEM结果表明共掺杂可以细化晶粒。根据铁电性和漏电流测试分析结果可知在Co^(3+)掺杂量为8%时最大剩余极化值达到2P_(r)=15.71μC/cm^(2),所有样品的漏电流传导机制均为欧姆传导机制。根据磁学性能测试分析结果可知,共掺杂可以有效增强薄膜的饱和磁化强度,且在Co^(3+)掺杂量为8%时最大饱和磁化强度达到37.78 emu/cm^(3)。根据吸收光谱及Tauc公式拟合结果可知共掺杂可以有效减小薄膜的光学带隙且随着掺杂量的增加光学带隙逐渐减小,在Co^(3+)掺杂量为12%时光学带隙减小到1.96 eV。

橙红色荧光粉Ca_(2)GdNbO_(6)∶Sm^(3+),Na^(+)的制备及发光性能

为了研究Na^(+)掺杂对Ca_(2)GdNbO_(6)∶0.03Sm^(3+)荧光粉发光性能的影响,本文采用高温固相反应法成功制备了一系列Ca_(2)GdNbO_(6)∶0.03Sm^(3+),xNa^(+)(x=0.01、0.03、0.05、0.07、0.10;x为摩尔分数)荧光粉。XRD图谱和精修结果表明,Na^(+)成功掺入Ca_(2)GdNbO_(6)∶0.03Sm^(3+)晶格。发光性能测试结果表明,Na^(+)的掺入提高了Ca_(2)GdNbO_(6)∶0.03Sm^(3+)荧光粉的发光强度,其最佳掺杂浓度为5%。在406 nm波长激发下,荧光粉在602 nm(^(4)G_(5/2)→^(6)H_(7/2))处发射峰最强且发射出橙红光。浓度猝灭结果及热稳定性研究表明,Ca_(2)GdNbO_(6)∶0.03Sm^(3+),0.05Na^(+)基质中能量传递主要发生在最近邻离子之间,荧光粉的热猝灭激活能为0.119 eV。该荧光粉的色坐标位于橙红色区域(0.5935,0.4047),与国际照明委员会规定的标准色坐标(0.666,0.333)接近,表明Ca_(2)GdNbO_(6)∶0.03Sm^(3+),xNa^(+)荧光粉在白光LED领域具有潜在的应用前景。

Li+掺杂ZnNb2O6∶Eu3+制备及发光性能研究

采用高温固相反应法,制备了一系列不同浓度Li+掺杂的Zn Nb2O6∶Eu3+发光材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对发光材料的晶体结构和微观形貌进行了表征。利用荧光光谱仪和积分球式分光光度计对发光材料的光学性能进行了分析。激发光谱表明存在着Eu3+→O2-(270~290 nm)和O2-→Nb5+(320~350 nm)电荷迁移带,随着Eu3+浓度增大到0. 25mol%时电荷迁移带出现蓝移现象,发射光谱的劈裂随Eu3+浓度的增加而消失。由于电荷补偿,Li+含量的提高极大增强了Zn Nb2O6∶Eu3+发光性能,通过线性拟合得出Zn Nb2O6的光学带隙为3. 810e V,而掺杂以后光学带隙变小。通过热稳定性分析拟合得出热猝灭激活能为0. 172 e V。

Y^(3+)掺杂对Sr_(1-x)Ca_xSi_2O_2N_2∶Eu^(2+)发光性能的影响

采用高温固相反应法制备了Sr_(1-x)Ca_xSi_2O_2N_2∶Eu^(2+)系列荧光粉,研究Y^(3+)离子掺入对荧光粉发光性能的影响。对于Sr Si_2O_2N_2∶Eu^(2+),Y^(3+)离子掺入主要起到稳定Eu^(2+)价态的作用,避免Eu^(2+)氧化为Eu^(3+),从而提高Sr Si_2O_2N_2∶Eu^(2+)的发光性能。对于Ca Sr Si_2O_2N_2∶Eu^(2+),Y^(3+)离子掺入除了稳定Eu^(2+)价态作用外,还能有效减小Eu^(2+)取代Ca^(2+)后晶格膨胀引起的应力,提高Eu^(2+)在晶格中的溶解度。Sr_(1-x)Ca_xSi_2O_2N_2∶Eu^(2+)(x=0,0.15,0.3,0.6,0.75,0.95)系列荧光粉中随着Ca含量的增加,共掺Y^(3+)离子对样品发光强度的提高程度也随之增加(20%~80%)。

PLD法制备Ba0.85Ca0.15Ti0.9Zr0.1O3薄膜及其性能研究

本文采用传统的高温固相反应法制备Ba_(0.85)Ca_(0.15)Ti_(0.9)Zr_(0.1)O_3(BCTZ)陶瓷靶材,并利用脉冲激光沉积(PLD)法,在生长有SrRuO_3底电极的SrTiO_3(100)衬底上沉积BCTZ(BCTZ/SRO/STO)薄膜。通过对其生长工艺的探索,在沉积温度780℃,氧压13 Pa,靶间距48 mm,脉冲激光频率2 Hz,激光能量200 m J的条件下可获得高择优取向、高结晶度的BCTZ薄膜。在此工艺条件下,制备不同膜厚的BCTZ薄膜。进一步利用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、台阶仪、铁电测试仪等手段对薄膜的微观结构、厚度和铁电性能进行表征分析。结果表明,所制备薄膜的表面粗糙度随着薄膜厚度的增加而变大。薄膜的铁电性呈现出与薄膜厚度的强相关性,即随着薄膜厚度的增加,BCTZ薄膜的剩余极化值(2Pr)逐渐增大,矫顽场强度(Ec)逐渐减小。