一种多元稀土掺杂改性铁酸铋基陶瓷及其制备方法

本发明涉及电介质材料，具体涉及一种多元稀土掺杂改性铁酸铋基陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、自三次工业革命以来，第三产业蓬勃发展，对电子信息技术产业提出了更高的要求。特别是进入21世纪以来，电子元件的小型化和集成化已经成为发展的一大趋势。在这种大背景下，数据储存与读取元件的优化问题走进研究人员的视野。磁电耦合材料由于其独特的磁电共存特性，可以实现快速电写入和磁读取，相比传统的数据存储器，能够极大减少损耗，满足当今人们对信息存储密度和操控速度日益增长的需求。

2、bifeo3作为最著名的单相室温多铁性材料之一，由于其独特的物理性质，在存储器领域中拥有广阔应用前景。但是，bifeo3也存在漏电流大、矫顽场高以及自旋摆线型结构导致的磁性能弱等诸多问题。比较关键的，bifeo3的磁电耦合效应也比较弱。

3、为解决上述问题，科研人员针对性提出了a、b位离子置换的改性方案。以a位离子置换为例，主要是第二主族元素(sr、ba、ca等)及稀土元素(sm、nd、dy、la、ce、ho、yb等)，其增强磁性能和电性能的基本原理是抑制漏电流以及相结构的改变，寻找bifeo3合适的置换元素及置换量从而形成稳定陶瓷材料就显得尤为重要。

4、在研究过程中发现bifeo3在a位进行离子置换后，会发生相结构的改变。而bifeo3的磁性能受制于r3c相的摆线型自旋结构，对外不表现出磁性。2012年6月，《journal ofmagnetism and magnetic materials》公开了一篇名为“magnetic,ferroelectric andmagnetoelectric properties of ba-doped bifeo3”的文章，该研究采用标准的双烧结陶瓷法制备了bi1-xbaxfeo3体系的多铁陶瓷，研究发现经过ba的置换，部分r3c相可能被扭曲为单斜晶系或四方结构，磁性能以及磁电耦合均得到增强，但也存在剩余极化值较低，漏电流偏大的问题。2022年7月，《journal of the american ceramic society》公开了一篇名为“giant electric field–controlled magnetismin bi0.86sm0.14feo3 multiferroicceramics with pna21 symmetry”的文章，该研究采用标准的固相烧结法法制备了bi0.86sm0.14feo3的陶瓷，研究了经过sm掺杂后，r3c相以及pna21相之间的转换机制，pna21相在外部条件下与r3c相之间相互转换的特性，证明了pna21相在磁电耦合方面的独特优势。2018年11月23日，《advanced functional materials》公开了一篇名为“symmetrymodulation and enhanced multiferroic characteristics in bi1-xndxfeo3 ceramics”的文章，该研究同样采用标准的固相烧结法法制备了bi1-xndxfeo3体系的陶瓷，研究了经过nd掺杂后，bifeo3陶瓷在铁电性能以及磁性能方面的变化，nd的掺杂有效增强了了陶瓷的磁电性能。然而，该体系中，高剩余极化值(＞25μc/cm2)只存在于x＝0.10～0.13很窄的掺杂量范围内，在一定程度上限制了大规模应用。

5、鉴于以上研究的结论，如何扩大在a位进行元素掺杂改性bifeo3陶瓷中高剩余极化值的存在范围，以及如何利用相结构的改变增强bifeo3陶瓷材料的磁电耦合性能成为亟待解决的问题。

6、鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决如何扩大在a位进行元素掺杂改性bifeo3陶瓷中高剩余极化值的存在范围，以及如何利用相结构的改变增强bifeo3陶瓷材料的磁电耦合性能的问题，提供了一种多元稀土掺杂改性铁酸铋基陶瓷及其制备方法。

2、为了实现上述目的，本发明公开了一种多元稀土掺杂改性铁酸铋基陶瓷，所述铁酸铋基陶瓷为a位多元稀土元素掺杂的铁酸铋基陶瓷，所述铁酸铋陶瓷的组分为bi1-x(la1/4nd1/4sm1/4gd1/4)xfeo3，其中，0.06≤x≤0.14。

3、所述x为0.06、0.08、0.10、0.12、0.14。

4、本发明还公开了上述多元稀土掺杂改性铁酸铋基陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

5、s1，先将原料bi2o3、fe2o3、la2o3、nd2o3、sm2o3、gd2o3干燥，再按化学计量比bi1-x(la1/4nd1/4sm1/4gd1/4)xfeo3称取原料；

6、s2，将步骤s1中称取的原料加去离子水后球磨至原料混合均匀；

7、s3，将步骤s2中球磨后的原料干燥去水分；

8、s4，将步骤s3中干燥后的原料研磨，过筛；

9、s5，将步骤s4中过筛后的粉料置于模具中压制成生坯；

10、s6，将步骤s5中得到的生坯升温至900-920℃，保温后得到陶瓷片。

11、所述步骤s1中x＝0.06、0.08、0.10、0.12、0.14。

12、所述步骤s1中干燥温度为80℃，干燥时间为48h。

13、所述步骤s2中球磨过程以行星式球磨机顺时针球磨12h，停机0.5h后，逆时针顺序球磨12h，转速为200r/min。

14、所述步骤s3中干燥温度为80℃，干燥时间为48h。

15、所述步骤s4中原料过筛目数为120目。

16、所述步骤s5中模具压制，压强为158mpa，保压时间为2min。

17、所述步骤s6中所述生坯用通组分的粉料掩埋，升温速率为5℃/min，保温时间为3h。

18、与现有技术比较本发明的有益效果在于：

19、本发明获得的铁酸铋基陶瓷材料通过在a位引入多稀土元素；随着稀土元素掺杂量的增加，材料的相组成逐渐由r3c相到r3c和pna21相共存转变，菱方的极性r3c相有部分转化成为了正交相的极性pna21相，pna21相具有弱铁磁性，r3c相具有g型反铁磁，宏观不表现出磁性，因此随着pna21相含量的增加，陶瓷材料磁性逐渐增加，通过选取适当的体系，便可得到最佳的铁电性和磁性能；同时r3+置换了a位的bi3+，可以有效抑制铋元素的挥发，控制氧空位的形成，有效降低了漏电流。克服了现有的本征bifeo3陶瓷漏电流大，铁磁性能、铁电性能低，磁电耦合效果差的缺陷。

20、本发明获得的铁酸铋基陶瓷材料的制备工艺是基于现有已有的单稀土元素掺杂工艺改进而来，结合多元素增加局部极化的思想，改单元素掺杂为多元素。在制备方法上采用传统的标准固相反应法，同时有去除了目前制备工艺中普遍添加的粘结剂，去除了后续的脱胶步骤，简化了工艺流程，降低了工艺成本。

21、现有发明制备出的陶瓷材料成分均匀、晶粒细小且性能优异，制备方法成熟可靠，工艺流程短，操作简单，便于于大规模生产。