bifeo3纳米颗粒的制备及其离子掺杂改性研究

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1、BiFeO3纳米颗粒的制备及其离子掺杂改性研究PreparationandStudyontheIonDopingModificationofBiFeO3Nanoparticles学科专业：材料物理与化学作者姓名：韩玉玲指导教师：刘卫芳副教授天津大学理学院二零一七年五月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文

2、中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据摘要铁酸铋(BiFeO3)是一种重要的室温单相多铁性功能材料，在多功能器件方面具有很重要的应用价值。此外，由于其合适的带隙

3、范围和良好的化学稳定性，BiFeO3被视为一种前景良好的可见光催化剂。但是，BiFeO3的反铁磁序存在一个周期为62nm的自旋螺旋结构，这导致其净磁矩无法释放。由于BiFeO3的物理性质依赖于颗粒尺寸和形貌，因此纳米量级的BiFeO（3纳米颗粒、纳米线等）引起了人们的广泛关注。另外，离子掺杂也可以有效地改善其物理特性。在本实验的研究工作之中，我们采用溶胶凝胶法分别制备了Pd掺杂的BiFeO3纳米颗粒、Ba和Rb共掺的BiFeO3纳米颗粒及Na和Ru共掺的BiFeO3纳米颗粒，并对样品的多铁特性和光学特性进行了详细的研究。首先，我们选择二价Pd离子作

4、为掺杂物来替代Bi位，采用溶胶凝胶法成功制备了Bi1xPdxFeO3(x=0,0.005,0.01,0.015)纳米颗粒。室温下，纳米颗粒展示出弱铁磁性。随着Pd掺杂浓度的增加，Bi1xPdxFeO3(x0,0.005,0.01,0.015)纳米颗粒的氧空位不断增加，但是其光学带隙却呈现出先增大(x0.005)后减小(x0.01,0.015)的趋势。为了解释这一反常的现象，我们基于Fe-O-Fe键角和氧空位浓度的变化引入了一个能带模型。其次，我们在碱金属Ba离子掺杂（替代Bi位）的基础上，选择一价Rb离子作为掺杂物来替代Bi位，采用溶胶凝

5、胶法制备了Bi0.9xBa0.1RbxFeO3(x0,0.01,0.02)纳米颗粒。X射线光电子能谱(XPS)的测试分析结果表明样品的氧空位含量和漏电流随Ru掺杂而增加，而其光学带隙却没有发生明显的变化。为了解释这一现象，我们对氧空位和Fe-O-Fe键角的作用展开了细致的讨论。此外，样品的光学带隙相对较窄(2.18eV)，这表明其在可见光催化领域具有潜在的应用价值。最后，我们在碱金属Na离子掺杂（替代Bi位）的基础上，选择高价Ru离子作为掺杂物来替代Fe位，采用溶胶凝胶法制备了Bi0.98Na0.02Fe1xRuxO3(x0,0.01,0

6、.02)纳米颗粒。随着Ru掺杂浓度的增加，样品氧空位的含量和漏电流不断减小，而其光学带隙却逐渐变窄。为了解释这一光学现象，我们基于Fe-O键长和Fe-O-Fe键角的变化对能带宽度进行了详细的分析。在室温下，样品的磁性随Ru掺杂浓度的增加而增大，还存在交换偏置现象。为此，我们引入了一个核壳结构模型来解释这一现象。关键词：多铁性,BiFeO3纳米颗粒,溶胶凝胶法,Fe-O-Fe键角,光学带隙I万方数据II万方数据ABSTRACTBiFeO3isakindofsinglephasemultiferroicmaterialthatsimultaneousl

7、yexhibitsferroelectricandmagneticorderingsatroomtemperature.Duetotheirpotentialapplicationsinthemultifunctionaldevices,BiFeO3hasattractedextensivestudiesinrecentyears.Inaddition,BiFeO3hasbeenrecognizedasavisiblelight-drivenphotocatalystbecauseofitssuitablebandgapandexcellentch

8、emicalstability.ConsideringthepropertiesofBiFeO3dependsonthep