[發明專利]一種厘米級純相BiFeO3單晶的制備方法

有效

• 申請號: 201110252660.5
• 申請日: 2011-08-30
• 公開（公告）號: CN102953116A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發明（設計）人: 陸俊;吳以成;傅佩珍;馮凱
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: C30B9/12
• 分類號: C30B9/12;C30B29/24;C30B30/06
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周長興

技術領域

本發明屬于無機非金屬材料制備工藝技術領域，具體地涉及使用助熔劑方法生長形狀規則、最大尺寸達厘米級的純相室溫多鐵性化合物BiFeO₃的單晶生長方法。

背景技術

鐵酸鉍(化學式BiFeO₃、簡稱BFO)，屬極少數在室溫即同時具備磁性及鐵電性的單相多鐵性材料之一，鐵電轉變居里溫度及反鐵磁轉變溫度分別為825℃與367℃。近些年的研究表明BFO有可能在將來被廣泛應用于高密低損存儲、傳感器、光伏、光催化等高新技術領域，因此BFO引起科學界的廣泛關注，已經成為凝聚態物理、固體化學與材料學等學科的研究熱點。

由于BFO屬于非同成分熔化化合物、形核難以控制而且易層狀生長，長期以來BFO的塊狀單晶制備一直未見明顯突破，生長出厘米級的BFO塊狀單晶并非易事。瑞士日內瓦大學的Munoz博士在其1986年的博士論文中公布使用白金坩堝制備出最長1.5厘米的樹葉狀BFO晶體，不過晶體形狀非常不規則，因而難以對晶體進行切割、定向并制造成器件予以應用。美國加州大學的研究者近期公布一個直徑6厘米的白金坩堝中最大尺度約4厘米聲稱是BFO晶體的照片(參見《Physics?Today》雜志，vol.63，38-43，2010)，不過未見其制備方法的公布介紹，而且除此照片外未見其他任何顯示其為純相BFO的證據。因此形狀規則的厘米級純相BFO單晶的制備技術目前是制約BFO走向大規模應用的瓶頸之一。另外，迄今公布的厘米級BFO單晶的制備技術中白金坩堝是不可缺少的工具，而BFO晶體生長中的關鍵元素Bi在單晶制備的高溫條件下對貴重金屬白金坩堝腐蝕嚴重，造成BFO晶體生長的成本異常高昂。因此改進BFO單晶的制備工藝，以較低成本獲得形狀規則尺寸超過厘米級的純相BFO單晶是將BFO推向大規模應用的關鍵步驟。

發明內容

本發明的目的在于提供一種厘米級純相BiFeO₃單晶的制備方法，以解決形狀規則大尺寸純相BFO單晶制備問題。

為實現上述目的，本發明提供的厘米級純相BiFeO₃單晶的制備方法，使用高溫溶液震蕩選晶法控制其形核及生長過程，經過多輪升降溫，促使尺寸較小的晶核熔化而保留尺寸較大的晶核以最終獲得BiFeO₃單晶；其制備步驟為：

a)將Fe₂O₃與Bi₂O₃兩種原料按照Fe₂O₃占總量摩爾比為16-18％的配方稱量混勻后放入晶體生長爐中；

b)晶體生長爐的升溫速率為20-40℃/h，將溫度升至825℃以上(較佳地是825-850℃)，并保溫；

c)以0.1-0.5℃/h的速率降溫，至熔體表面出現晶核時以0.1-0.5℃/h的速率升溫，至晶核減少至一個時再以0.1-0.5℃/h的速率降溫，至晶核數目增多時再以0.1-0.5℃/h的速率升溫，當晶核數目再次減少至一個時再以0.01-0.1℃/h的速率降溫維持BFO單晶的穩定生長，直至其生長停止；

d)晶體生長完全且完全凝固后以8-10℃/h的速率將晶體生長爐冷卻至室溫；

e)取出晶體清洗后即得到純相BiFeO₃單晶。

所述的制備方法，其中，兩種原料研磨混勻后置于白銀或黃金坩堝放入晶體生長爐中。

所述的制備方法，其中，兩種原料使用瑪瑙研缽研磨混勻。

本發明的主要特點：

一)使用震蕩選晶法控制BFO單晶生長過程，使BFO晶核數目大大減少，為大尺寸BFO單晶的生長提供了必要條件；

二)使用白銀或黃金作為坩堝材料，減少高溫下熔體與坩堝之間的反應。

三)本發明利用在白銀或黃金坩堝中采用震蕩選晶方法，獲得形狀規則厚度均勻的厘米級純相BFO單晶，而且其制備成本相對較低。

附圖說明

圖1是本發明所述利用震蕩選晶法溫度控制示意圖。

圖2是本發明實施實例1獲得BFO單晶的照片。

圖3是本發明實施實例1獲得BFO單晶研粉的X射線衍射譜圖與標準BFO譜圖的對照結果。

圖4是本發明實施實例1獲得BFO單晶塊體的搖擺X射線衍射結果，其中a)為普通X射線衍射譜圖，b)與c)分別為贗立方(001)與(002)衍射峰的搖擺掃描曲線。

圖5是本發明實施實例2獲得BFO單晶的照片。