新型多铁陶瓷YFeO3和YMnO3研究状况和前景分析

摘 要：YFeO3和YMnO3是两种具有应用前景的第二类多铁性陶瓷。这两种材料具有一定程度的铁磁性、铁电性，磁电耦合效应，光电转化效应等，具有多项优异性能。本文介绍了YFeO3和YMnO3两种陶瓷的研究現状、发展前景和出现的问题。

关键词：YFeO3;YMnO3;多铁材料

1概述

随着科学技术的发展，多铁陶瓷已经成为陶瓷材料的研究热点。多铁陶瓷可以兼具铁磁性和铁电性的优点，在大规模存储和5G领域的应用中具有广泛的运用前景。多铁陶瓷材料分为两种。第一类多铁陶瓷是由于晶格畸变形成的，具有一定的铁磁性和铁电性，但磁电耦合性能较差。而第二类多铁陶瓷，具有较强的磁电耦合性能，是下一代多铁陶瓷的主要发展方向。YMnO3和YFeO3陶瓷是重要的第二类多铁陶瓷材料，YMnO3陶瓷在室温下具有宏观铁电性，而YFeO3陶瓷在室温下具有宏观铁磁性，Mn和Fe元素可以实现无限相互固溶，而Mn和Fe的比例可以进行调整，根据需要可以控制Y（Mn，Fe）O3陶瓷的室温下铁电和铁磁性。下面分别就YMnO3和YFeO3以及掺杂改性的Y（Mn，Fe）O3陶瓷的相关研究情况、问题和发展的前景进行介绍。

2YMnO3陶瓷

YMnO3成为陶瓷材料的研究热点已经有大约30年的历史。在低温下具有弱的铁磁性和较高的铁电性，并体现反铁磁特性。YMnO3陶瓷的居里温度较高（Tc=914 K），但尼尔温度较低（TN=80K），所以室温下只有宏观铁电性能而无铁磁性能，但另一方面，YMnO3陶瓷具有较强的磁电耦合作用，磁能和电能的转化比较容易。鉴于上述情况，一方面必须通过改性和结构设计，提高YMnO3的居里温度，以提升其室温下的铁磁性能。另一方面要充分提升其磁电转换效率，从而进一步提高其应用潜力[1]。

在20世纪90年代，YMnO3主要是块体陶瓷的研究为主，但材料的性能有限。2003年，借鉴了BiFeO3薄膜的优越性，六方YMnO3薄膜开始进行研制，并克服了块体材料漏电流过大的缺点，形成完整的电滞回线。而后利用SPS烧结，在2009年又制得了六方YMnO3块体陶瓷材料。在低温下可以观察磁滞回线，具有一定的弱磁性。王萌等人于2015年采用快速固相法制备了YMnO3粉末，并利用SPS（等离子热压烧结）制备了块体YMnO3陶瓷，其各项铁电和铁磁性能均有较大幅度的提高，并且具有较低的缺陷和细化的晶粒尺寸，为下一步的实际应用奠定了基础[2]。

3 正交YFeO3陶瓷

正交YFeO3为高温稳定相，可以视作钙钛矿结构。它的铁磁性和铁电性来自不同的离子。铁电性主要是来源于Y离子的轨道杂化。而磁性则来源于Fe离子的特殊倾斜结构。事实上，因为具有磁性离子Fe，和铁畴结构的微倾斜，在本来具有的反铁磁性的基础上就具有弱的铁磁性。此外，正交YFeO3还具有一定的光学性能和光电转化性能。因此将正交YFeO3运用在磁电开关和多铁多用途材料。

相对于YMnO3陶瓷，正交YFeO3陶瓷无论是从研究的广度、深度和实际的应用来说，都具有较大的差距。而YFeO3陶瓷在室温下具有铁磁性，在这一点上具有较大的应用潜力。对正交YFeO3的研究也是从块体陶瓷和粉末两方面入手的。马妍等人用传统烧结的方法制备了高致密的正交YFeO3陶瓷，而且预测了在低温下具有铁电性。而尚明宇等人制备了YFeO3薄膜，并在室温下获得了完整的电滞回线，证明了其实际应用价值。另外，经过研究表明，YFeO3是窄带系可见光半导体，正交YFeO3的带隙宽度为2.6eV左右，可以有效地把光能转换为电能[3]。

4六方YFeO3陶瓷

六方YFeO3与正交YFeO3不同，是低温稳定相，其空间结构是P63cm。由于Y离子中心与Fe离子中心重合，所以在宏观上不具有室温铁电性。但是随着结构的变化，六方YFeO3的磁滞回线开始呈现铁磁性的特点，其最大磁化强度和剩余磁化强度都有较大幅度的增加。而磁性能的增加也进一步促使六方YFeO3光带隙宽度减小到1.8-2.2eV，相比正交YFeO3而言具有更好的光学性质和光电转化效率。另外，有研究表明六方YFeO3在溶液中还有较好的吸附性能和催化性能，可以作为催化剂和净水剂的选择材料[3]。

5YFeO3的掺杂改性

对于YFeO3的掺杂改性，主要有A位掺杂、B位掺杂和AB位共掺杂等三种方式，目的主要是为了提高材料的磁学性能。在A位主要是掺杂一些稀土元素，利用其较大的磁矩来提高其磁学性能。Lu元素的A位掺杂，磁性显著增大。另外，这种掺杂也可以获得低温铁电性，实现其多铁功能。通过Gd掺杂也实现了类似的效果。而对于B位掺杂，除了Cr掺杂导致Fe–O–Fe， C–O–Cr 和Fe–O–Cr 反铁磁耦合提高磁性外，还可以利用高价Ti4+掺杂抑制Fe3+转化为Fe2+，从而提高磁性。Mn的加入提高铁电性，但破坏FeO6六面体，导致磁性下降。共掺杂仅有Ho和Cr对于Y和Fe的替代，综合利用了A位和B位掺杂的优势，最大磁化强度提高了大约30%。

另外，王萌等人采用了Zr掺杂，可以实现六方YFeO3和正交YFeO3的转化，拓宽了六方YFeO3的生成温度范围，更加有利于高纯的六方YFeO3的生成。另外，采用Gd和Co的双重改性[3]。

6 总结

综上所述，对于YFeO3和YMnO3陶瓷的研究有了一定的进展，但材料的各项性能与复合多铁陶瓷相比仍有较大的差距。所以需要进一步的研究。

参考文献：

[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.

作者简介：

王萌（1985.2-），男，汉族，黑龙江省哈尔滨市人，博士学历，讲师职称，现任深圳职业技术学院教师，主要研究方向：先进陶瓷材料。

致谢：本文受到深圳市出站博士后科研资助项目（6020271008K）和广东省教育厅青年人才项目（6020210024K）资助。