新型多鐵陶瓷YFeO₃和YMnO₃研究狀況和前景分析

摘 要：YFeO3和YMnO3是兩種具有應(yīng)用前景的第二類多鐵性陶瓷。這兩種材料具有一定程度的鐵磁性、鐵電性，磁電耦合效應(yīng)，光電轉(zhuǎn)化效應(yīng)等，具有多項(xiàng)優(yōu)異性能。本文介紹了YFeO3和YMnO3兩種陶瓷的研究現(xiàn)狀、發(fā)展前景和出現(xiàn)的問題。

關(guān)鍵詞：YFeO3;YMnO3;多鐵材料

1概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多鐵陶瓷已經(jīng)成為陶瓷材料的研究熱點(diǎn)。多鐵陶瓷可以兼具鐵磁性和鐵電性的優(yōu)點(diǎn)，在大規(guī)模存儲和5G領(lǐng)域的應(yīng)用中具有廣泛的運(yùn)用前景。多鐵陶瓷材料分為兩種。第一類多鐵陶瓷是由于晶格畸變形成的，具有一定的鐵磁性和鐵電性，但磁電耦合性能較差。而第二類多鐵陶瓷，具有較強(qiáng)的磁電耦合性能，是下一代多鐵陶瓷的主要發(fā)展方向。YMnO3和YFeO3陶瓷是重要的第二類多鐵陶瓷材料，YMnO3陶瓷在室溫下具有宏觀鐵電性，而YFeO3陶瓷在室溫下具有宏觀鐵磁性，Mn和Fe元素可以實(shí)現(xiàn)無限相互固溶，而Mn和Fe的比例可以進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)需要可以控制Y（Mn，F(xiàn)e）O3陶瓷的室溫下鐵電和鐵磁性。下面分別就YMnO3和YFeO3以及摻雜改性的Y（Mn，F(xiàn)e）O3陶瓷的相關(guān)研究情況、問題和發(fā)展的前景進(jìn)行介紹。

2YMnO3陶瓷

YMnO3成為陶瓷材料的研究熱點(diǎn)已經(jīng)有大約30年的歷史。在低溫下具有弱的鐵磁性和較高的鐵電性，并體現(xiàn)反鐵磁特性。YMnO3陶瓷的居里溫度較高（Tc=914 K），但尼爾溫度較低（TN=80K），所以室溫下只有宏觀鐵電性能而無鐵磁性能，但另一方面，YMnO3陶瓷具有較強(qiáng)的磁電耦合作用，磁能和電能的轉(zhuǎn)化比較容易。鑒于上述情況，一方面必須通過改性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高YMnO3的居里溫度，以提升其室溫下的鐵磁性能。另一方面要充分提升其磁電轉(zhuǎn)換效率，從而進(jìn)一步提高其應(yīng)用潛力[1]。

在20世紀(jì)90年代，YMnO3主要是塊體陶瓷的研究為主，但材料的性能有限。2003年，借鑒了BiFeO3薄膜的優(yōu)越性，六方Y(jié)MnO3薄膜開始進(jìn)行研制，并克服了塊體材料漏電流過大的缺點(diǎn)，形成完整的電滯回線。而后利用SPS燒結(jié)，在2009年又制得了六方Y(jié)MnO3塊體陶瓷材料。在低溫下可以觀察磁滯回線，具有一定的弱磁性。王萌等人于2015年采用快速固相法制備了YMnO3粉末，并利用SPS（等離子熱壓燒結(jié)）制備了塊體YMnO3陶瓷，其各項(xiàng)鐵電和鐵磁性能均有較大幅度的提高，并且具有較低的缺陷和細(xì)化的晶粒尺寸，為下一步的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[2]。

3 正交YFeO3陶瓷

正交YFeO3為高溫穩(wěn)定相，可以視作鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。它的鐵磁性和鐵電性來自不同的離子。鐵電性主要是來源于Y離子的軌道雜化。而磁性則來源于Fe離子的特殊傾斜結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，因?yàn)榫哂写判噪x子Fe，和鐵疇結(jié)構(gòu)的微傾斜，在本來具有的反鐵磁性的基礎(chǔ)上就具有弱的鐵磁性。此外，正交YFeO3還具有一定的光學(xué)性能和光電轉(zhuǎn)化性能。因此將正交YFeO3運(yùn)用在磁電開關(guān)和多鐵多用途材料。

相對于YMnO3陶瓷，正交YFeO3陶瓷無論是從研究的廣度、深度和實(shí)際的應(yīng)用來說，都具有較大的差距。而YFeO3陶瓷在室溫下具有鐵磁性，在這一點(diǎn)上具有較大的應(yīng)用潛力。對正交YFeO3的研究也是從塊體陶瓷和粉末兩方面入手的。馬妍等人用傳統(tǒng)燒結(jié)的方法制備了高致密的正交YFeO3陶瓷，而且預(yù)測了在低溫下具有鐵電性。而尚明宇等人制備了YFeO3薄膜，并在室溫下獲得了完整的電滯回線，證明了其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。另外，經(jīng)過研究表明，YFeO3是窄帶系可見光半導(dǎo)體，正交YFeO3的帶隙寬度為2.6eV左右，可以有效地把光能轉(zhuǎn)換為電能[3]。

4六方Y(jié)FeO3陶瓷

六方Y(jié)FeO3與正交YFeO3不同，是低溫穩(wěn)定相，其空間結(jié)構(gòu)是P63cm。由于Y離子中心與Fe離子中心重合，所以在宏觀上不具有室溫鐵電性。但是隨著結(jié)構(gòu)的變化，六方Y(jié)FeO3的磁滯回線開始呈現(xiàn)鐵磁性的特點(diǎn)，其最大磁化強(qiáng)度和剩余磁化強(qiáng)度都有較大幅度的增加。而磁性能的增加也進(jìn)一步促使六方Y(jié)FeO3光帶隙寬度減小到1.8-2.2eV，相比正交YFeO3而言具有更好的光學(xué)性質(zhì)和光電轉(zhuǎn)化效率。另外，有研究表明六方Y(jié)FeO3在溶液中還有較好的吸附性能和催化性能，可以作為催化劑和凈水劑的選擇材料[3]。

5YFeO3的摻雜改性

對于YFeO3的摻雜改性，主要有A位摻雜、B位摻雜和AB位共摻雜等三種方式，目的主要是為了提高材料的磁學(xué)性能。在A位主要是摻雜一些稀土元素，利用其較大的磁矩來提高其磁學(xué)性能。Lu元素的A位摻雜，磁性顯著增大。另外，這種摻雜也可以獲得低溫鐵電性，實(shí)現(xiàn)其多鐵功能。通過Gd摻雜也實(shí)現(xiàn)了類似的效果。而對于B位摻雜，除了Cr摻雜導(dǎo)致Fe–O–Fe， C–O–Cr 和Fe–O–Cr 反鐵磁耦合提高磁性外，還可以利用高價(jià)Ti4+摻雜抑制Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+，從而提高磁性。Mn的加入提高鐵電性，但破壞FeO6六面體，導(dǎo)致磁性下降。共摻雜僅有Ho和Cr對于Y和Fe的替代，綜合利用了A位和B位摻雜的優(yōu)勢，最大磁化強(qiáng)度提高了大約30%。

另外，王萌等人采用了Zr摻雜，可以實(shí)現(xiàn)六方Y(jié)FeO3和正交YFeO3的轉(zhuǎn)化，拓寬了六方Y(jié)FeO3的生成溫度范圍，更加有利于高純的六方Y(jié)FeO3的生成。另外，采用Gd和Co的雙重改性[3]。

6 總結(jié)

綜上所述，對于YFeO3和YMnO3陶瓷的研究有了一定的進(jìn)展，但材料的各項(xiàng)性能與復(fù)合多鐵陶瓷相比仍有較大的差距。所以需要進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ma， Y.， Wu， Y. J.， Chen， X. M.， Cheng， J. P.， & Lin， Y. Q. （2009）. In situ synthesis of multiferroic YMnO3 ceramics by SPS and their characterization. Ceramics International， 35（8）， 3051-3055.

[2]Zheng， H. W. ， Liu， Y. F. ， Zhang， W. Y. ， Liu， S. J. ， Zhang， H. R.， & Wang， K. F. （2010）. Spin-glassy behavior and exchange bias effect of hexagonal YMnO3 nanoparticles fabricated by hydrothermal process. Journal of Applied Physics， 107（5）， 9498-219.

[2]Wang， M. ， Wang， T. ， Song， S. ， Ma， Q. ， & Liu， R. . （2017）. Effect of sintering temperature on structural， dielectric， and magnetic properties of multiferroic YFeO3 ceramics fabricated by spark plasma sintering. Materials， 10（3）， 267.

作者簡介：

王萌（1985.2-），男，漢族，黑龍江省哈爾濱市人，博士學(xué)歷，講師職稱，現(xiàn)任深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，主要研究方向：先進(jìn)陶瓷材料。

致謝：本文受到深圳市出站博士后科研資助項(xiàng)目（6020271008K）和廣東省教育廳青年人才項(xiàng)目（6020210024K）資助。