Ba0.8Sr0.2TiO3基三相磁电复合材料的介电和磁性能研究

杨海波，陈含雨，李 昭，薛兴坤，刘龙建，张 怡（陕西科技大学材料科学与工程学院，陕西西安 710021）



Ba0.8Sr0.2TiO3基三相磁电复合材料的介电和磁性能研究

杨海波，陈含雨，李 昭，薛兴坤，刘龙建，张 怡
（陕西科技大学材料科学与工程学院，陕西西安 710021）

摘 要：以铁电性的钛酸锶钡（Ba(0.8)Sr(0.2)TiO3）和铁磁性的钇铁石榴石（Y3Fe5O(12)）为原料，采用原位合成固相法，制备出了Ba(0.8)Sr(0.2)TiO3基三相磁电复合材料.利用XRD和SEM对磁电复合材料的物相和微观形貌进行分析，并对其介电和磁性能进行了研究.结果表明：复合材料具有巨介电性能，高的剩余极化强度和矫顽场.

关键词：复合材料；钛酸锶钡；钇铁石榴石；介电性能；磁性能

0　引言

随着电子信息技术的飞速发展，各种电子设备变得更加高度集成化、多功能化、小型化和快速响应化［1］.由于电子设备的微型化和多功能化是必然趋势，因此，一种单一性能的材料很难满足各种高的要求，迫切需要材料具有较高的性能或者同时具有两种或两种以上的性能，以减小电路板有限空间的消耗，进一步实现小型化.

基于此，同时具有铁电性和铁磁性等多性能于一身的磁电复合材料吸引了越来越多的关注.磁电复合材料不但具备单一的铁电性、铁磁性或铁弹性，而且通过各性质之间的藕合可以产生新的功能，拓宽了其应用范围，具有广泛的应用前景［2］.然而，磁电单相材料的种类非常少，并且居里温度和奈尔温度同时都高于室温的仅有BiFeO3.人们把具有铁电性的材料与铁磁性的材料进行复合，所得复合材料同时具有铁电相和铁磁相［3］.由于磁电复合材料的独特性质，其在微波领域、高压输电线路的电流测量、宽波段磁探测、磁场感应器等领域有着广泛而重要的用途，尤其是微波器件、高压电输送系统的电磁泄露对人体的健康有很大影响，因此对它们的精确测量非常重要.由于磁电复合材料在这方面具有很突出的优点，因此磁电复合材料的研究逐渐引起了各国材料科学工作者的重视［4－6］.

BaxSr1－xTiO3是一种典型的铁电材料，具有较高的介电常数和低的损耗，主要用于制造高电容多层电容器、多层基片、各种传感器、半导体材料和敏感元件［7，8］，因而常被用来制备磁电复合材料.Y3Fe5O12是一种亚铁磁性材料，具有优良的旋磁特性和较高的电阻率，在微波铁氧体材料及器件中应用非常广泛［9］.同时，YFeO3是一种典型的稀土铁氧体，具有较高的奈尔温度（640K）和高的电阻率，可以应用在磁场传感器、磁光数据存储器件等方面.

本文采用原位合成固相法制备一种新型的BST/YIG/YIP三相磁电复合材料.通过物理和化学的方法合成的BST/YIG/YIP三相复合材料在宏观上显现出了新的介电和磁性能，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应使得复合材料的介电和磁性能得到提高，综合性能优于原组成材料，满足了各种不同的需要.基于以上特点我们对其介电和磁性能进行了研究.

1　实验部分

1.1 样品的制备

采用固相法分别制备出Ba0.8Sr0.2TiO3和Y3Fe5O12粉体.然后按照通式xBa0.8Sr0.2TiO3－（1－x）Y3Fe5O12（其中x＝0.10、0.15、0.20、0.25）以一系列质量比混合配料.混合物放入球磨罐中，以无水乙醇作助磨剂，锆球作球磨介质，行星球磨机球磨4h.浆料在80℃烘干后研磨，加入5wt%的PVA（聚乙烯醇）进行造粒，经60目与120目筛网过筛，陈腐.将混合粉末按需要压制成型，并模压成φ10mm的圆片.随后在550℃，保温4h排胶，在1 350℃下烧结2h成瓷，升温速度为5℃/min.将制备好的样品两面涂覆银浆，在600℃左右保温15min烧成电极.

1.2 样品的表征

用D/max 2200PC型X射线衍射仪（X－ray diffractometer，XRD）对粉体进行物相分析，Cu Kα1射线波长λ＝0.154 056nm.用JSM－6460型扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察粉体的微观形貌和显微结构.用HP4294阻抗分析仪对样品的介电性能进行分析.用振动样品磁强计（VSM，Lakeshore 7307USA）测量样品的磁滞回线.

2　结果与讨论

2.1 物相分析

图1是BST/YIG/YIP三相复合材料在1 350℃烧结之后的XRD衍射图谱.从图1可以看出，复合材料中除了钙钛矿结构的BST相和YIG相外，还存在钙钛矿结构的YIP（JCPDS卡片号：39－1489）相和少量的未知相.而且，随着BST含量的升高，YIG相峰的强度降低，YIP峰的强度逐渐增强.

图1　不同配比下BST/YIG/YIP复合材料的XRD图谱

2.2 形貌分析

图2是不同配比下BST/YIG/YIP复合材料的自然表面的背散射图.从图2可以看出，烧结后的陶瓷晶粒已经生长完全，均匀分布，仅有少量的气孔.可以明显的看出复合材料中存在白色片状的BST相，黑色球状的YIG相和长条状的YIP相.这与前面XRD的图谱分析相吻合.

图3是15%BST/85%（yttrium ferrite）复合材料的EDS能谱图.白色片状晶粒中含有Ba、Sr、Ti、O以及少量的Fe、C元素，因此可以确定是BST相.黑色球状颗粒的Y/Fe原子比是0.7，可以确定是YIG相.黑色长条晶粒含有Y、Fe、O和少量的Ti元素，Y/Fe原子比是1.08，因此进一步确定是YIP相.并且，复合材料中YIG相转变为YIP相，可能是由于BST中少量Ti4＋掺杂所造成的.

图2　不同配比下BST/YIG/YIP复合材料的SEM图

图3　15%BST/85%（yttrium ferrite）复合材料的EDS能谱图

2.3 介电性能分析

图4是室温下不同配比BST/YIG/YIP复合材料的介频图谱.从图4可以看出，在室温下复合材料表现出相似的介电性能，并且随着频率的增加，介电常数（ε′）逐渐减小.介电常数（ε′）随着复合材料中BST含量的增加而升高.这是由于纯相BST是典型的铁电材料，具有较高的介电常数，而YIG和YIP铁氧体的介电常数较低，随着BST相含量的增加，增强了复合材料中BST晶粒间的连续性和相互作用，使得电极化增强.在低频下，25% BST/75%（yttrium ferrite）复合材料的介电常数（ε′）高达12 000，表现出巨介电性能，这是由于在复合材料中存在界面极化.随着频率的增加，呈现出Maxwell－Wagner弛豫（在某个频率下，介电常数（ε′）下降，介电损耗（tan）出现弛豫峰）［10］.根据Maxwell－Wagner界面极化理论［11］，空间电荷含量可以用以下公式来表示：

式中，Q是空间电荷，V是实际电压，S是两相的接触面积，γ1，γ2，ε1，ε2，d1和d2分别是电导率，介电常数和两相的厚度.

复合材料中各相的混合均匀分布增加了空间电荷的含量，这种空间电荷聚集在两相的界面上，使得复合材料在低频下具有较高的介电常数［12］.因此，对于BST/YIG/YIP复合材料，BST含量的增加，同时增加了YIP的含量，使得复合材料各相混合更均匀，空间电荷含量增加，介电常数也随之增加.另外，低频下高的介电常数还可能还来自于复合材料中YIG和YIP相中存在的由于Fe3＋/Fe2＋变价而产生的电偶极子.这种电偶极子之间的电子交换在外加电场方向上产生了电子位移而导致极化.这种电子交换也会随着频率的增加逐渐跟不上外加电场的变化，极化机制减弱［13］.同时，复合材料的介电损耗在低频下随频率增大而迅速降低，低频下损耗以直流漏导为主，并且较高的介电损耗导致了弛豫峰的弱化.而随着频率的增加，将以弛豫极化损耗为主，所以随着频率增大介电损耗开始缓慢上升.此外，在加入YIG后由于YIG以及新产生的YIP的高电阻率使其介电损耗降低，同时棒状的YIP的产生提高的陶瓷材料韧性的同时进一步增大了陶瓷材料的致密度使其损耗降低.

2.4 磁性能分析

图4　室温下不同配比BST/YIG/YIP复合材料的介频图谱

图5是复合材料BST/YIG/YIP在室温下的磁滞回线.复合材料表现出典型的软磁体的磁滞回线形状.随着BST含量的增加，饱和磁化强度（Ms）逐渐降低，但是，剩余磁化强度（Mr）和矫顽场（Hc）逐渐增大.这是由于饱和磁化强度（Ms）与复合材料中磁性材料的质量成正比，非磁性铁电体BST含量的升高，导致了YIG含量的降低，饱和磁化强度（Ms）减小.纯相的反铁磁铁氧体YIP中的Fe的磁矩并不是严格平行的，而是稍微倾斜，所以就产生了一个小的净的磁化强度，导致具有弱的铁磁性［14］.因此，随着YIP含量的增加，复合材料中少量的YIG相和YIP相二者的耦合效应，引起了剩余磁化强度（Mr）和矫顽场（Hc）的增加.当BST含量增加到25%BST时，复合材料的剩余磁化强度（Mr）、矫顽场（Hc）分别为2.1emu/g、300Oe.

图5　室温下不同配比BST/YIG/YIP复合材料的磁滞回线

3　结论

（1）通过XRD和背散射图发现，复合材料中存在白色片状的BST相，黑色球状的YIG相和长条状的YIP相，三相分布均匀.

（2）介电性能表明，随着BST含量的增加，介电常数（ε′）增加.其中，25%BST/75%（yttrium ferrite）复合材料的介电常数（ε′）高达12 000，表现出巨介电性能，这是由于在复合材料中存在界面极化.

（3）磁性能表明，复合材料具有典型的软磁体的磁滞回线，随着BST含量的增加，饱和磁化强度（Ms）逐渐降低，剩余磁化强度（Mr）和矫顽场（Hc）逐渐增大.这是由于铁氧体YIG含量的降低，反铁磁铁氧体YIP含量的升高引起的.其中，25%BST/75%（yttrium ferrite）复合材料的剩余磁化强度（Mr）、矫顽场（Hc）分别为2.1emu/g、300Oe.

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Dielectric and magnetic properties of Ba0.8Sr0.2TiO3－based magnetoelectric composites

YANG Hai－bo，CHEN Han－yu，LI Zhao，XUE Xing－kun，LIU Long－jian，ZHANG Yi
（School of Materials Science and Engineering，Shaanxi University of Science ＆Technology，Xi′an 710021，China）

Abstract：The Ba(0.8)Sr(0.2)TiO3－based composites were synthesized via the in－situ growth solidstate method，using Ba(0.8)Sr(0.2)TiO3and Y3Fe5O(12)as raw materials.The phase composition and surface morphology of the composites were investigated using XRD and SEM，respectively.The dielectric and magnetic properties of the composites were also studied.The results show that the BST/YIG/YIP composites have giant dielectric constants，high saturation magnetizations and coercivity.

Key words：composites；Ba(0.8)Sr(0.2)TiO3；Y3Fe5O(12)；dielectric properties；magnetic properties

作者简介：杨海波（1980－），男，安徽东至人，教授，博士，研究方向：磁电复合材料

基金项目：陕西省科技厅科技新星计划项目（2013KJXX－79）；国家级大学生创新创业训练计划项目（201410708008）

收稿日期：2015－04－23

文章编号：1000－5811（2015）04－0028－04

文献标志码：A

中图分类号：TB34