固相-熔盐法非平衡骤热骤冷工艺制备高纯BiFeO3及性能
吴星, 栗海峰, 周金玲, 霍敏锋, 程呈, 沈绪根, 严春杰
纳米矿物材料及应用教育部工程研究中心(中国地质大学), 中国地质大学(武汉) 材料与化学学院, 武汉430074
通讯作者: 栗海峰, 副教授. E-mail:254510369@qq.com

作者简介: 吴 星(1990-), 男, 硕士研究生. E-mail:1214927579@qq.com

摘要

采用固相-熔盐法非平衡骤热骤冷工艺(SSR-MSS-SHCN)制得粒径分布均匀、高纯度的BiFeO3粉体。通过XRD、FT-IR、TG-DSC、VSM及SEM等对样品物相结构、性能及形貌进行表征。结果表明, 骤热骤冷的非平衡工艺更有利于提高BiFeO3纯度。单一的固相法或熔盐法采用骤热骤冷非平衡工艺合成的产物均含有Bi25FeO39和/或Bi2Fe4O9杂相。固相-熔盐法骤热骤冷非平衡工艺制得了几近单相的高纯度BiFeO3粉体。高纯度BiFeO3粉体磁性能室温呈反铁磁性, 而低温呈弱铁磁性和/或超顺磁性, 而非自旋玻璃态。

关键词: 铁酸铋; 非平衡骤热骤冷工艺; 固相-熔盐法
中图分类号:TB34   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2014)11-1151-05
Fabrication and Properties of Highly Pure BiFeO3 Using A Method of Solid State Reaction-molten Salt Synthesis with Non-equilibrium Process
WU Xing, LI Hai-Feng, ZHOU Jin-Ling, HUO Min-Feng, CHENG Cheng, SHEN Xu-Gen, YAN Chun-Jie
Engineering Research Center of Nano-Geomaterials of Ministry of Education, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China Faculty of Material Science and Chemistry, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
Abstract

High pure Bismuth ferrite (BiFeO3) powders were prepared by a solid state reaction-molten salt synthesis method (SSR-MSS method) using shock heating and chilling non-equilibrium process (SHCN process). The structure, morphology and electromagnetic properties were characterized by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM), Fourier Transform Infrared Spectroscope (FTIR), Thermogravimetry-Differential Scanning Calorimetry (TG-DSC) and Vibrating Sample Magnetometer (VSM). The results indicated that SHCN process was better to get higher purity of BiFeO3 powders than conventional equilibrium process (C process), but still has a certain number of impurity phases like Bi25FeO39 and/or Bi2Fe4O9 as found in the products prepared by either SSR-SHCN process or MSS-SHCN process. In contrast, single-phase BiFeO3 powders could be obtained by SSR-MSS-SHCN process. The micro-nanoscale BiFeO3 powders presented antiferromagnetism, superparamagnetism, and/or weak ferromagnetism behavior at room temperature, but not spin-glass state at low temperature (5 K).

Keyword: BiFeO3; solid state reaction-molten salt synthesis method; shock heating &; chilling non-equilibrium process

多铁性材料因同时具有铁磁有序和铁电有序而在一定温度范围内存在磁电耦合特性, 在信息存储、自旋电子学及传感器等领域颇具潜在应用[ 1]。 具有铁电性和反铁磁性的BiFeO3因具有高的居里温度( TC~1103 K)[ 2]、高的尼尔温度( TN~643 K)[ 3]和比较高的自发极化值( PS~100 μC/cm2)[ 4]而成为可在室温应用的首选磁电材料。

有文献对BiFeO3晶体结构和磁结构等进行了较为详细的报道, 合成单相BiFeO3仍然比较困难。 然而, 合成单相BiFeO3对其本征性质研究尤为重要。合成BiFeO3的方法主要有固相法[ 5]、微乳液法[ 6]、熔盐法[ 7]、水热法[ 8]、共沉淀法[ 9]、自燃烧法[ 10]和溶胶-凝胶法[ 11]等。研究表明, BiFeO3合成过程极易产生Bi25FeO39或/和Bi2Fe4O9等杂质相, 使用一种方法合成单相BiFeO3均较困难且工艺不易控制, 通常需采用1~5 mol/L硝酸溶液洗除杂相, 导致产物密度降低, 漏电电流增大, 铁电性能减弱[ 12]。另外, 煅烧温度、保温时间、合成方法和工艺制度都是合成单相BiFeO3的重要影响因素。

本文报道合成高纯BiFeO3的新方法新工艺, 即先采用固相法煅烧反应物得前驱物, 再以此前驱物为反应物与一定比例(0.5NaCl+0.5KCl)盐混匀, 经磨细、煅烧、洗涤等步骤熔盐法制备BiFeO3, 且所有加热及冷却过程均分别采用骤热、骤冷工艺, 该新工艺被称为固相-熔盐法非平衡骤热骤冷工艺。 通过对产物表征及性能测试, 证明产物为高纯几近单相BiFeO3粉体。

1 实验方法

原料为Fe2O3 (99.9%, Aladdin)、Bi2O3 (99.9%, Aladdin)、NaCl (99.5%, Aladdin)、KCl (99.5%, Aladdin)。

1.1 铁酸铋(BiFeO3)的制备

BiFeO3粉体采用4种工艺方法制备。

方法(1)固相法骤热骤冷工艺(SSR-SHCN)。称取等摩尔Bi2O3、Fe2O3混合、磨细磨匀, 加入一定量8wt%的PVA 溶液造粒,240 MPa 压制成 10 mm× 5 mm圆片, 经110℃×24 h烘干, 将其直接置于700℃电炉骤热并保温15~120 min, 待保温结束后直接将样品从电炉取出并骤冷(风冷)至室温, 破碎、磨细后所得即为产物粉体。

方法(2)熔盐法骤热骤冷工艺(MSS-SHCN)。 以等摩尔Fe2O3及Bi2O3为反应物, 配入等摩尔量(0.5NaCl+0.5KCl)混合盐, 待磨细、磨匀后转入带盖刚玉坩埚中, 将其直接置于700℃电炉骤热并保温20~240 min, 待保温结束直接将其从电炉中取出并骤冷(风冷)至室温, 反应物经水煮、磨细、洗涤、干燥得产物粉体。

方法(3)固相-熔盐法非平衡骤热骤冷工艺(SSR-MSS-SHCN)。以方法(1)所得产物为反应物, 重复方法(2)得产物粉体。

方法(4)固相-熔盐法平衡工艺(SSR-MSS-C)。 除采用匀速升温、自然冷却外, 重复方法(3)得产物粉体。

1.2 表征及测试

采用X射线衍射仪(Bruker AXS D8-Foucs, 德国Bruker公司)对样品进行物相分析。采用Nicolet 6700傅里叶红外光谱仪测定样品红外光谱图。采用德国NETZSCH STA449 F3同步综合热分析仪测定BiFeO3粉体TG-DSC曲线。采用精密阻抗分析仪(Agilent 4294A, 美国Agilent公司)测试样品介电性能。采用综合物性测量系统(Physics Property Measurement System, PPMS-9, 美国Quantum Design公司)测量样品磁性能。 采用日立SU8010高分辨场发射扫描电镜观察样品颗粒形貌。

2 结果与讨论
2.1 物相分析

图1为固相法骤热骤冷工艺不同保温时间煅烧产物的XRD图谱, 由图可知, 保温15 min时, 产物以BiFeO3(PDF 82-1254)及Bi25FeO39(PDF 79-0767)相为主, 存少量Bi2Fe4O9(PDF 20-0836)相。随着保温时间延长, Bi25FeO39逐渐减少; 当保温时间延长至120 min时, 产物以BiFeO3为主相, 仅存少量Bi25FeO39相。图2为熔盐法骤热骤冷工艺不同保温时间煅烧产物XRD图谱, 由图可知, 保温15 min时, 产物除BiFeO3外, 还存在大量Bi25FeO39相及少量Bi2Fe4O9相。随着保温时间逐渐延长, Bi25FeO39逐渐减少而Bi2Fe4O9逐渐增加。当保温时间延长至240 min时, 产物仍然是BiFeO3、Bi25FeO39和Bi2Fe4O9三相共存。图1图2的结果表明, 单一固相法或熔盐法即使采用非平衡骤热骤冷工艺也难以制备高纯度BiFeO3粉体。

图1 固相法骤热骤冷工艺不同保温时间煅烧产物的XRD图谱Fig. 1 XRD patterns of samples prepared by of SSR-SHCN method after being calcinated at 700℃ for different soaking time(1)15 min; (b) 30 min; (c) 60 min; (d) 90 min; (e) 120 min

图2 熔盐法骤热骤冷工艺不同保温时间煅烧产物的XRD图谱Fig. 2 XRD patterns of samples prepared by MSS-SHCN method after being calcinated at 700℃ for different soaking time(a) 15 min; (b) 30 min; (c) 60 min; (d) 120 min; (e) 240 min

图3为固相-熔盐法骤热骤冷工艺(SSR-MSS- SHCN)不同保温时间煅烧产物的XRD图谱。由图3可知, 保温15 min时, 产物以BiFeO3为主晶相, 仅存少量Bi2Fe4O9和Bi25FeO39相。当延长保温时间分别至30、60、90 min, 产物仍以BiFeO3为主相, 少量Bi25FeO39、Bi2Fe4O9相共存, 且各相相对数量基本保持不变。这是由于体系中BiFeO3、Bi25FeO39和Bi2Fe4O9三者化学反应平衡所致, 与文献[13]报道一致。当保温时间延长至120 min时, Bi2Fe4O9相和Bi25FeO39相消失, 得到几近单相的高纯BiFeO3

图3 固相-熔盐法骤热骤冷工艺不同保温时间煅烧产物XRD图谱Fig. 3 XRD patterns of SSR-MSS-SHCN method calcinated samples for different soaking time(a) 15 min; (b) 30 min; (c) 60 min; (d) 90 min; (e) 120 min

图4为固相-熔盐法两种不同工艺煅烧产物的XRD图谱, 对比可知, 温度制度对BiFeO3合成具有重要影响。由图4 (a)可知, 固相-熔盐法平衡工艺所得粉体除BiFeO3外, 还含较多Bi25FeO39、Bi2Fe4O9杂相; 而固相-熔盐法非平衡骤热骤冷工艺所得粉体是高纯度BiFeO3粉体, 不含Bi25FeO39和Bi2Fe4O9杂相。

图4 固相-熔盐法平衡(a)与非平衡(b)工艺煅烧产物XRD图谱Fig. 4 XRD patterns of the samples prepared by (a) SSR- MSS-C method; (b) SSR-MSS-SHCN method

2.2 红外光谱分析

图5为固相-熔盐法非平衡骤热骤冷工艺制备高纯BiFeO3红外光谱图。波数1655.59和1633.18 cm-1吸收峰对应OH和HOH的伸缩振动和弯曲振动。 548.25和439.72 cm-1两处吸收峰分别对应于Fe-O伸缩振动和Fe-O弯曲振动, 这是钙钛矿型化合物FeO6八面体的特征峰[ 14, 15, 16]。由于晶体三方对称性致使Fe-O弯曲振动峰劈裂在409.67 cm-1出现振动峰。 除此之外, 样品没有其他吸收峰。

图5 固相-熔盐法骤热骤冷工艺合成BiFeO3粉体FTIR图谱Fig. 5 FT-IR spectrum of as-synthetized BiFeO3 by using SSR-MSS-SHCN method

2.3 热分析

图6为空气气氛中以30 K/min升温速度测得的BiFeO3粉体TG-DSC曲线。由图6可见, 301.58℃始出现一个放热峰并宽化至400℃左右, 这可归属于反铁磁尼尔转变温度( TN~370℃)加宽现象[ 17, 18]。829.05℃、923.6℃、941.6℃吸热峰分别归因于BiFeO3的α-β相转变、β-γ相转变、γ-BiFeO3包晶转变生成Bi2Fe4O9和熔体L。DSC曲线各峰、谷对应温度与文献[18-20]报道的BiFeO3热分析参数一致, 证实固相-熔盐法非平衡骤热骤冷工艺所制为高纯度BiFeO3粉体。

图6 固相-熔盐法骤热骤冷工艺合成BiFeO3 TG-DSC曲线Fig. 6 TG-DSC curves of as-synthetized BiFeO3 by using SSR-MSS-SHCN method

2.4 介电性能

图7为室温下BiFeO3粉体的介电频谱图, 在1000 Hz到10 MHz频率范围, 介电常数几乎呈线性下降, 在低频和中频范围内出现异常高的介电常数, 此为偶极子的弛豫现象。3 MHz左右出现的一个谐振峰可以归因于外部磁场下离子跳跃, 离子在两个相同势能位置跳跃存在一个固有频率。外部交变电场相当于该固有频率, 所产生的电能转移到振荡离子, 从而使介电损耗值显著增大[ 21]

图7 固相-熔盐法骤热骤冷工艺合成BiFeO3介电频谱Fig. 7 Dielectric spectra of as-prepared BiFeO3 by using SSR-MSS-SHCN method

2.5 磁性能

图8为固相-熔盐法非平衡骤热骤冷工艺合成的BiFeO3粉体磁滞回线。室温300 K下, BiFeO3粉体具有与BiFeO3陶瓷相似的 M- H线性依赖关系。由图8(a)显示, Fe3+磁矩排列呈反铁磁性。因为BiFeO3磁结构为长周期(62±2) nm自旋摆线螺旋调制结构[ 20], 只有BiFeO3粉体粒径小于此周期才呈现弱铁磁性行为, 而本工作所制BiFeO3粒径大于此值, 如图9(b)所示。当温度降低至5 K时, BiFeO3粉体 M- H关系呈明显弯曲S形回线特征(如图8(a)所示)。在318.1 kA/m外场下, BiFeO3磁化强度 Ms由0.2640 A·m2/kg(300 K)增强至0.4342 A·m2/kg(5 K)(如图8(b)所示)。这可归因于低温下摆线结构变得不可调制, 及对磁序的有害作用被抑制导致弱铁磁性及磁化强度提高[ 21]。另外, 5 K下矫顽力 Hc及剩余磁化强度 Mr均变小, 接近零(如图8(c)所示), 证实BiFeO3粉体低温下具超顺磁性(SPM)和/或弱铁磁性(WFM)。这与BiFeO3低温弱铁磁性归因于存在的顺磁Fe3+[ 22]及BiFeO3低温存在Fe3+顺磁性, 且顺磁Fe3+可能存于颗粒表面[ 8]的研究结果一致。但是, BiFeO3低温磁性能与大量文献报道的BiFeO3低温存在自旋玻璃态(SG)不一致,这可能由于所制BiFeO3颗粒粒径较大(~5 μm)的缘故。

图8 固相-熔盐法骤热骤冷工艺合成BiFeO3磁滞回线Fig. 8 M-H hysteresis loops of as-synthetized BiFeO3 by using SSR-MSS-SHCN at 5 K and 300 K (a), and insets are the partially enlarged curves at 300 K (b) and 5 K (c), respectively

2.6 扫描电镜(SEM)分析

图9(a)为固相法骤热骤冷工艺制备产物形貌, 粒子呈不规则状, 其粒径大小约5 μm, 少量细小颗粒与较大颗粒有团聚。图9(b)为固相-熔盐法非平衡骤热骤冷工艺合成的BiFeO3粉体形貌。类球状BiFeO3颗粒尺寸约5 μm以下且粒径分布均匀、粉体分散性较好。与图9(a)相比, 颗粒表面明显有(0.5NaCl+ 0.5KCl)熔盐溶解修饰的痕迹。

图9 SSR-SHCN (a)及SSR-MSS-SHCN (b)煅烧产物SEM照片Fig. 9 SEM images of BiFeO3 powder prepared by SSR- SHCN method (a) and SSR-MSS-SHCN method (b)

3 结论

1) 非平衡的骤热骤冷工艺比匀速升温、自然冷却的平衡工艺更有效地提高了产物BiFeO3纯度。

2) 以固相-熔盐法非平衡骤热骤冷工艺制得几近单相的高纯BiFeO3粉体, 工艺简单、易控。

3) 高纯度BiFeO3粉体常温呈反铁磁性, 而低温呈弱铁磁性和/或(类)超顺磁性, 而非自旋玻璃态。

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