【摘要】：具有多參量調(diào)控和寬頻譜響應(yīng)的新型量子功能材料是量子科學(xué)新理論、新效應(yīng)研究和新器件應(yīng)用的重要載體,設(shè)計和制備新型量子功能材料是發(fā)展量子信息技術(shù)的關(guān)鍵一環(huán)。作為量子功能材料的成員之一,單相多鐵材料的鐵電性、磁性及磁電耦合效應(yīng)使得在同一材料中同時實現(xiàn)“電控磁”和“磁控電”成為可能。并且,單相多鐵材料也是研究晶格、電荷、軌道和自旋等的理想基質(zhì)。然而,尋找室溫單相多鐵材料仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。最近,通式為Bi4Bin-3Fen-3-xCoxTi3O3n+3(BFCTO)的Aurivillius相氧化物被證明為一種潛在的單相多鐵材料,其居里溫度和奈爾溫度遠在室溫之上。目前關(guān)于Aurivillius相多鐵材料的研究已經(jīng)取得了一定成就,但是仍然存在一些問題亟待解決和完善,如:當(dāng)前的研究主要集中在陶瓷和薄膜上,性能獨特的Aurivillius相納米材料鮮有報導(dǎo);有研究學(xué)者對摻雜Aurivillius相的本征鐵磁性產(chǎn)生質(zhì)疑,認為鐵磁性來源于材料中微量的磁性雜相而非本征屬性。針對這些問題,本論文以鈷摻雜的四層Aurivillius相BFCTO為主要研究對象,利用水熱法合成了Bi5FeTi3O15及Co摻雜的Bi5Fe0.9Co0.1Ti3O15納米片,詳細研究了生長機理,并在此基礎(chǔ)上合成了Bi5Fe0.9Coo.iTi3O15單晶納米片,在單個單晶納米片中驗證了其本征多鐵性能。此外,還發(fā)現(xiàn)并合成了此材料體系中的多鐵新成員—SmBi4FeTi3O15和SmBi5Fe2Ti3O18單晶納米片。本論文的研究一方面為Aurivillius相納米材料的可控合成提供指導(dǎo),另一方面回答了關(guān)于摻雜Aurivillius相化合物中鐵磁性是否為本征屬性的爭議,主要內(nèi)容如下:第一章介紹了鐵電體、鐵磁體、多鐵材料和磁電耦合效應(yīng)的基本概念及單相多鐵材料中鐵電性和磁性共存的物理機制和兩類典型代表(BiFeO3和TbMn03),并重點綜述了近年來層狀A(yù)urivillius相多鐵材料的研究進展及存在問題。第二章詳細介紹了氧化物復(fù)合量子功能材料的先進表征技術(shù),包括透射電子顯微鏡、掃描透射電子顯微鏡、振動樣品磁強計、磁力顯微鏡、基于透射電鏡的磁結(jié)構(gòu)成像技術(shù)、鐵電測試儀及壓電響應(yīng)顯微鏡,其中重點介紹了本論文中用于研究材料多鐵性能的基于透射電鏡的磁結(jié)構(gòu)成像技術(shù)和壓電響應(yīng)顯微鏡。第三章介紹了四層Aurivillius相化合物Bi5FeTi3O15及Co摻雜的納米片的合成。我們利用水熱合成法,通過對反應(yīng)溫度、時間,礦化劑種類及濃度,反應(yīng)溶劑的調(diào)控,成功合成出了 Aurivillius相氧化物Bi5FeTi3O15和Bi5FeO.9Co0.1Ti3O15納米片,它們呈現(xiàn)出規(guī)則的矩形形貌,邊長500 nm左右,厚度100 nm左右。Bi5FeTi3O15在室溫下主要呈現(xiàn)反鐵磁性,在Bi5Fe0.9Co0.1Ti3O15納米片中觀察到了室溫磁滯回線,其剩余磁化強度(2Mr)為0.55 emu/g,磁矯頑場(2Hc)為2600 Oe。室溫下的介電常數(shù)和介電損耗隨著頻率的增加而降低。此外,通過詳細的研究我們得知了Bi5Fe0.9Co0.1Ti3O15納米片的水熱形成機理,主要經(jīng)歷了下列過程:前驅(qū)體的團聚→Bi7Ti5-x-yFexCoyO21-δ納米棒通過取向生長形成納米片→通過奧斯瓦爾德熟化,形成Bi5Fe0.9Coo0.1Ti3O15納米片。第四章介紹了四層Aurivillius相化合物Bi5Fe0.9Co0.1Ti3O15單晶片的合成及本征多鐵性能。我們利用水熱法成功制備了Bi5Fe0.9Co0.1Ti3O15單晶片并采用電子全息技術(shù)和壓電響應(yīng)力顯微鏡驗證了其本征多鐵性能。在電子全息照相圖中,觀察到了致密的等相線,閉合的磁通線使得相鄰納米片之間產(chǎn)生重要的磁相互作用,驗證了其本征鐵磁性。利用壓電響應(yīng)力顯微鏡,在單個單晶片中觀察到了鐵電疇,驗證了其本征鐵電性。此外,我們也研究了BFCTO粉體的磁學(xué)性能。室溫下,剩余磁化強度(2Mr)、磁矯頑場(2Hc)和鐵磁居里溫度(TC)分別為0.43μB/f.u.,1.5 kOe 和 730.2 K。第五章介紹了利用水熱法通過對OH-濃度的調(diào)控,成功合成了具有四層鈣鈦礦層的Aurivillius相氧化物SmBi4FeTi3O15和具有五層鈣鈦礦層的Aurivillius相氧化物SmBi5Fe2Ti3O18納米單晶片,兩者都呈現(xiàn)出Aurivillius相氧化物典型的片狀形貌。我們進一步研究了它們的磁學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)SmBi4FeTi3O15在室溫下為順磁性,而SmBi5Fe2Ti3O18具有室溫鐵磁性,其在300 K時的飽和磁化強度(2Ms)、剩余磁化強度(2Mr)和磁矯頑場(2Hc)分別為0.045 emu/g、0.016 emu/g及668 Oe。此外,SmBi5Fe2Ti3O18樣品的飽和磁化強度和剩余磁化強度隨著溫度的降低一直增加,而磁矯頑場卻先增加后降低。第六章介紹了表面活性劑輔助的水熱法合成了Bi2WO6超薄納米片及其光催化水分解性能并與體相Bi2WO6性能進行了對比。盡管由于量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致Bi2WO6超薄納米片的帶隙增大了,其光催化水分解性能明顯優(yōu)于體相Bi2W06,單位質(zhì)量的Bi2WO6超薄片在4小時內(nèi)的平均產(chǎn)氫/產(chǎn)氧量分別為80.02 μmol·g-1·h-1/104.03μmol·g-1·h-1,高于體相Bi2W06的0/46.59μωol·g-1·h-1。通過一系列的測試表征,我們認為造成兩者光催化性能巨大差異的原因有四點:ⅰ)Bi2WO6超薄納米片大的比表面積使得其對紫外光的吸收更快也更高效;ⅱ)更負的導(dǎo)帶底電勢和更正的價帶頂電勢使得Bi2WO6超薄納米片具有更強的氧化還原能力;ⅲ)Bi2WO6超薄納米片中大量的氧空位及超薄的結(jié)構(gòu)在表面產(chǎn)生了大量的吸附和催化反應(yīng)的活性位點;ⅳ)Bi2WO6超薄納米片內(nèi)強的內(nèi)建電場提供了光生載流子分離的驅(qū)動力并加速了它們從體相轉(zhuǎn)移到表面的過程降低了復(fù)合概率。第七章為本論文的總結(jié)以及對未來工作的展望。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1
【圖文】：

此處的鐵有序性涵蓋了鐵電性、鐵磁性、鐵彈性和鐵渦性等。在相應(yīng)的外場（電逡逑場、磁場、應(yīng)力場等）的作用下，多鐵材料中的鐵有序性能夠?qū)崿F(xiàn)相互間的轉(zhuǎn)換逡逑與耦合［６￣８］，如圖１．６所示：逡逑Ｐ逡逑？邋＿邋？—逡逑？邐■邐？嫌：逡逑圖１．６多鐵材料中幾種鐵性及其相互關(guān)系圖示１９１逡逑磁電耦合效應(yīng)是指材料中電場和磁場的相互轉(zhuǎn)換與耦合。通過這一效應(yīng)，電逡逑和磁之間能夠?qū)崿F(xiàn)相互調(diào)控。也就是說，外加的電場能夠使材料的磁化發(fā)生變化，逡逑外加的磁場能夠使材料的電極化發(fā)生變化Ｍ。人們對磁電耦合效應(yīng)的探索開始于逡逑１９世紀(jì)。１８９４年，通過研宄晶體的對稱性，居里預(yù)言自然界的某些晶體中可能逡逑存在固有的磁電效應(yīng)。隨后，德拜將這種效應(yīng)定為“磁電效應(yīng)”邋［１＜）］。科學(xué)家在逡逑Ｃｒ２０３中第一次成功觀察到了“磁電效應(yīng)”，并測出其耦合系數(shù)為４．１３邋ｐｓｉｒｒ＃乜逡逑磁電耦合效應(yīng)可以用物理學(xué)上的朗道相變理論來描述［１２＿１３］，系統(tǒng)的自由能表逡逑達式如下：逡逑Ｆ邋（Ｅ，Ｈ）邋＝邋Ｆ�！澹校驽澹牛殄濉姡捱姡妫椋眩妫椋椋辏龋椋龋赍濉澹幔ⅲ牛椋龋赍濉ǎ保玻╁义瞎街�

ＢｉＦｅ０３比ＴｂＭｎ０３更具潛力。ＴｂＭｎ０３只顯示出了微弱的鐵電性［４４］：（丨）非常低逡逑的鐵電居里溫度：￣２８Ｋ；邋（２）微弱的電極化：￣０．０６－０．０８ｎＣ／ｃｍ２，比ＢｉＦｅ０３低逡逑了邋１０００倍，如圖１．８邋（ａ）邋－邋（ｄ）。此外，ＴｂＭｎ０３中的磁有序溫度很低，如圖１．８逡逑（ａ）和（ｂ）�？茖W(xué)家們對于ＴｂＭｎ０３強烈的研宄興趣主要因為其具有無與倫比逡逑的物理價值，大部分關(guān)于ｔｙｐｅ－ＩＩ型多鐵材料的基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)都來源于ＴｂＭｎ０３。逡逑正如Ｋｉｍｕｒａ等人的實驗中發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)溫度低于奈爾溫度７Ｖ邋（４０Ｋ）時，逡逑ＴｂＭｎ０３內(nèi)部自旋序為反鐵磁序（圖１．８邋（ａ）和（ｂ））。這種反鐵磁性非常復(fù)雜，逡逑１０逡逑

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;聚合物涂覆硅納米片可望取代石墨稀[J];中國粉體工業(yè);2017年02期

2 郝慧;楊云;;金納米片的制備[J];化工技術(shù)與開發(fā);2018年03期

3 朱景春;;二硫化鉬納米片的制備及其研究進展[J];科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新;2018年07期

4 李俊怡;梁峰;田亮;張海軍;;類石墨相氮化碳納米片的制備研究進展[J];化學(xué)通報;2018年05期

5 趙迪;柯瑞林;鄒雄;毛琳;胡行兵;王金合;;氮化硼納米片制備方法研究進展[J];功能材料;2016年12期

6 張震;于翔;劉飛;;產(chǎn)業(yè)化制備石墨烯納米片研究進展[J];新型工業(yè)化;2017年01期

7 肖林平;劉敏;周麗萍;賴桂珍;黃錦貴;鐘晨晨;;一步法制備單層二硫化鉬納米片[J];廣東化工;2016年12期

8 邢國政;靳利娥;解小玲;張康;曹青;;碳納米片的制備、表征及應(yīng)用[J];炭素技術(shù);2016年05期

9 鄒潤秋;秦文靜;張強;楊利營;曹煥奇;印壽根;;銀納米片等離子體效應(yīng)增強有機太陽能電池及其性能優(yōu)化研究[J];發(fā)光學(xué)報;2015年07期

10 趙逢煥;;(001)晶面占主導(dǎo)的銳鈦礦TiO_2納米片的制備、表征及光催化性能的研究[J];山東化工;2015年15期

相關(guān)會議論文 前10條

1 韓志成;武祥;;生長在泡沫鎳基底的炸圈狀四氧化三鈷納米片及其較提高的超級電容器性能[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第三十分會：化學(xué)電源[C];2016年

2 陸迪燦;倪永紅;;多孔磷化鈷納米片的合成及其超電性能[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第二十九分會：電化學(xué)材料[C];2016年

3 丁書江;;納米片復(fù)合材料的設(shè)計、制備和鋰離子存儲性能研究[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第三十分會：化學(xué)電源[C];2016年

4 張玉倩;張琦;翁麗星;宇文力輝;汪聯(lián)輝;;量子點-二硫化鉬復(fù)合納米片用于癌細胞的靶向熒光成像和光熱治療[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第三十八分會：納米生物效應(yīng)與納米藥物化學(xué)[C];2016年

5 梅旭安;梁瑞政;衛(wèi)敏;;超薄水滑石納米片作為藥物載體的研究[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第三十八分會：納米生物效應(yīng)與納米藥物化學(xué)[C];2016年

6 董寧寧;李源鑫;馮艷艷;張賽鋒;張曉艷;范金太;張龍;王俊;;過渡金屬硫化物二維納米片的光限幅特性及其理論模擬[A];上海市激光學(xué)會2015年學(xué)術(shù)年會論文集[C];2015年

7 紀(jì)穆為;徐萌;劉佳佳;張加濤;;水相腐蝕法制備超薄二維單晶納米片[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第五分會：分子與固體化學(xué)[C];2016年

8 程裕鑫;吳德峰;姚鑫;丁昆山;周亞楠;;聚乳酸/石墨納米片復(fù)合材料的流變行為[A];第十二屆全國流變學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2014年

9 楊曉華;楊化桂;李春忠;;{001}晶面主導(dǎo)的銳鈦二氧化鈦納米片的熱穩(wěn)定性研究[A];顆粒學(xué)最新進展研討會——暨第十屆全國顆粒制備與處理研討會論文集[C];2011年

10 陳小蘭;師賽鴿;黃藝專;陳美;湯少恒;莫世廣;鄭南峰;;不同表面修飾對鈀納米片活體行為的影響[A];中國化學(xué)會第29屆學(xué)術(shù)年會摘要集——第05分會：無機化學(xué)[C];2014年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 記者 劉霞;科學(xué)家利用超薄沸石納米片造出高效催化劑[N];科技日報;2012年

2 本報記者 李波;二維MoS2納米片研究獲突破提振鉬業(yè)股[N];中國證券報;2013年

3 記者 王延斌 通訊員 隗海燕;高靈敏度“電子皮膚”可以量產(chǎn)了[N];科技日報;2017年

4 馮衛(wèi)東;新型透明塑料薄如紙硬如鋼[N];科技日報;2007年

5 本報記者 張思瑋;讓氫來得更高效些吧[N];中國科學(xué)報;2019年

6 記者 劉霞;柔性電子材料破碎多次仍可恢復(fù)功能[N];科技日報;2016年

7 記者 張曄 通訊員 周偉;又薄又軟的半導(dǎo)體新材料可制微納光電器件[N];科技日報;2019年

8 記者 陳超;“光結(jié)構(gòu)”讓水隨環(huán)境變化自由變色[N];科技日報;2016年

9 記者 李麗 通訊員 梁維源;深圳大學(xué)打開癌癥治療新思路[N];深圳特區(qū)報;2018年

10 沈英甲;中國成功研發(fā)全球首類烯合金材料[N];中國有色金屬報;2014年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 俄松峰;氮化硼納米管和納米片的合成及性質(zhì)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

2 徐嘉麒;超薄過渡金屬氧族化合物的設(shè)計及其在新能源轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

3 牧小衛(wèi);三聚氰胺基共價有機框架/聚合物復(fù)合材料的設(shè)計與阻燃性能研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

4 孫媛;低維錸基硫?qū)倩衔锏碾娮咏Y(jié)構(gòu)調(diào)控及應(yīng)用研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

5 溫路路;摻雜的過渡金屬化合物納米材料及其電催化性能研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

6 吳佳靜;溶液相剝離法制備大尺寸過渡金屬硫?qū)倩衔锛{米片及其相變研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

7 陳彤;鉍層狀鈣鈦礦氧化物單晶納米片的水熱合成及多鐵性能研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

8 談浩;二維磁性材料的同步輻射研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

9 張紅偉;層狀過渡金屬化合物的物性研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

10 韓娜;基于金屬納米材料的電化學(xué)二氧化碳轉(zhuǎn)化體系的研究[D];蘇州大學(xué);2018年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 魏振巍;二維多孔二氧化鈦納米片的合成及其催化產(chǎn)氫性能研究[D];天津理工大學(xué);2019年

2 陳金蘋;鉬單原子及Al摻雜NiO納米片的制備和電化學(xué)性能研究[D];天津理工大學(xué);2019年

3 李元俠;SnS_2/聚合物復(fù)合材料的制備及光電性能研究[D];天津理工大學(xué);2019年

4 徐娟娟;鹵氧化鉍及其復(fù)合物的制備和光催化性能研究[D];安徽建筑大學(xué);2019年

5 陳江淳;二維鉍單質(zhì)納米片的合成及其性能研究[D];東北電力大學(xué);2019年

6 吳松挺;金屬—有機框架納米片微膠囊及其復(fù)合材料的制備與應(yīng)用[D];華東理工大學(xué);2019年

7 孫艷娟;氮化碳納米分級復(fù)合材料制備及構(gòu)效關(guān)系研究[D];武漢工程大學(xué);2018年

8 屈藝譜;二維氮化鋁納米片的第一性原理研究[D];鄭州大學(xué);2019年

9 滕雪剛;TiO_2表面結(jié)構(gòu)調(diào)控及其光解水制氫性能研究[D];安徽工程大學(xué);2019年

10 陶念;過渡金屬鈷酸鹽的制備及其電化學(xué)性能研究[D];北京郵電大學(xué);2019年

本文編號：2722812