多铁复合同轴纳米管阵列的制备与性能研究

论文摘要

多铁材料由于铁电性与铁磁性甚至铁弹性的共存,具有在外磁场作用下产生电极化或者在外电场作用下产生磁化的磁电耦合效应而引起了广泛的关注。但是,通常单相多铁材料的磁电耦合系数很小,且大多在低温下才能实现,这些缺陷限制了单相多铁材料的实际应用。因此,复合多铁材料引起了人们广泛的研究兴趣。另一方面,一维纳米材料因其具有的不同于块材和薄膜的特殊性能以及在传感器、光电子器件、存储器件等方面的潜在应用而引起了广泛的重视。因此制备一维复合多铁纳米结构,研究其磁电性能和物理机制也就成为研究者感兴趣的一个课题。BiFeO3（BFO）在室温下具有很强的自发极化,其极化值据报道可达55～150μC/cm2,Nd掺杂的Bi4Ti3O12由于具有良好的极化特性和压电性能而被认为是最具潜力的无铅压电材料,CoFe2O4具有强的磁各向异性。因此,将两种铁电材料与CoFe2O4进行复合有望实现较强的磁电耦合效应。这已经在溶胶-凝胶法制备的CoFe2O4/BiFeO3、CoFe2O4/Bi3.15Nd0.85TiO12复合薄膜中得到了证实。此外,通过模拟计算得出圆柱状的磁电复合结构比其以非圆柱形式复合的结构的磁电耦合系数至少高一个数量级。目前还没有关于CoFe2O4/BiFeO3、CoFe2O4/Bi3.15Nd0.85Ti3O12复合多铁同轴纳米管的文献报道。光伏器件的研究早已成为材料与能源领域的一个研究热点。铁电材料由于在紫外探测、非破坏性光读取和光伏器件等方面具有的潜在应用而得到了研究人员的广泛关注。多种铁电材料如Pb（Zr,Ti）O3、BiFeO3等的光伏性能均已得到了研究。其中,铋层状类钙钛矿材料Bi4Ti3O12由于其具有良好的铁电性、优异的抗疲劳性能以及其无铅无毒性而成为最有潜力的光伏器件材料之一。因此研究Bi4Ti3O12材料的光伏性能具有重要的意义。因此本文主要从以上两个方面出发,具体研究内容与结果如下：1采用优化的两步溶胶-凝胶模板法成功制备了CoFe2O4/Bi0.97Ce0.03FeO3（CFO/BCFO）多铁复合同轴纳米管阵列,并对其形貌、结构和性能进行了表征。研究表明,CFO/BCFO多铁复合同轴纳米管实现了铁电性和铁磁性的共存。该同轴纳米管具有饱和的磁滞回线。相比于单纯的BCFO铁电纳米管,该同轴纳米管的漏电流增大了两个数量级,这是由于内层CFO纳米管的绝缘性较差所致。同轴纳米管的介电常数减小,介电损耗增大。这可归因于CoFe2O4纳米管的较小的介电常数和较大的介电损耗。2采用优化的两步溶胶-凝胶模板法制备了CoFe2O4/Bi3.15Ndo.85Ti3O12（CFO/BNT）同轴纳米管。利用SEM和TEM观测到了同轴纳米管的特征形貌。选区电子衍射证明了CFO尖晶石结构和BNT钙钛矿结构的共存。电性能测试表明同轴结构具有较典型的电滞回线,而较大的漏电流可能是由于其内层的的CFO纳米管绝缘性较差所致。磁性测试表明同轴结构具有饱和的磁滞回线。3采用溶胶-凝胶法制备了Bi3.15Nd0.85Ti3O12（BNT）薄膜,结合磁控溅射的方法在薄膜上制备氧化钢锡（ITO）顶电极,构成ITO/BNT/Pt铁电异质结构。测试表明该异质结构具有明显的光伏响应。由于ITO电极的功函数与Pt的功函数值不同,导致ITO/BNT界面肖特基势垒高度大jBNT/Pt界面肖特基势垒高度,形成一个由Pt指向ITO的电场,这个电场是材料产生光伏响应的一个主要原固。通过对结构施加正、负脉冲后测试其I-V特性,证明了BNT薄膜的退极化场对铁电异质结构的光伏效应也有重要的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 绪论
• 1.1 多铁性材料简介
• 1.1.1 多铁性材料的概念及分类
• 1.1.2 多铁性磁电材料的历史与现状
• 1.1.3 多铁性材料的应用
• 1.2 纳米材料的结构和性能
• 1.2.1 纳米材料定义与性质
• 1.2.2 纳米材料的分类
• 1.2.3 纳米材料的制备方法
• 1.2.4 一维铁电/多铁纳米材料的研究进展
• 1.3 铁电材料光伏特性简介
• 1.3.1 光伏效应的定义
• 1.3.2 铁电薄膜的光伏效应
• 3、Bi₄Ti₃O₁₂材料的结构与性能'>1.4 BiFeO₃、Bi₄Ti₃O₁₂材料的结构与性能
• 3材料的结构与性能'>1.4.1 BiFeO₃材料的结构与性能
• 4Ti₃O₁₂材料的结构与性能'>1.4.2 Bi₄Ti₃O₁₂材料的结构与性能
• 1.5 本文的研究内容
• 第二章 样品制备方法与表征技术
• 2.1 纳米材料的制备方法
• 2.1.1 溶胶-凝胶法
• 2.1.2 模板法
• 2.2 薄膜的制备方法
• 2.2.1 溶胶-凝胶法制备薄膜
• 2.2.2 磁控溅射法制备薄膜
• 2.3 测试表征技术
• 2.3.1 结构与形貌表征技术
• 2.3.2 电性能测试
• 2.3.3 磁性能测试
• 第三章 CFO/BCFO多铁复合同轴纳米管阵列的制备与性能表征
• 3.1 样品制备与表征
• 3.2 结果分析与讨论
• 3.3 本章小结
• 第四章 CFO/BNT多铁复合同轴纳米管阵列的制备与性能表征
• 4.1 样品制备与表征
• 4.2 结果分析与讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 ITO/BNT/Pt结构的制备及光伏特性的研究
• 5.1 样品制备与表征
• 5.2 结果分析与讨论
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 博士期间已发表的论文
• 致谢