[發明專利]一種生長BiFe1-xCoxO3系列晶體的方法

有效

• 申請號: 201310067179.8
• 申請日: 2013-03-03
• 公開（公告）號: CN103160911A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 王越;邸大偉;馬云峰;蔣毅堅
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C30B13/00
• 分類號: C30B13/00;C30B29/22
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明屬于BiFe_1‐xCo_xO₃（簡稱BFCO）系列晶體生長領域，具體涉及到一種生長BiFe_1‐xCo_xO₃系列晶體的方法。

背景技術

多鐵性材料是指同時具有（反）鐵電性、（反）鐵磁性及鐵彈性中兩種或者兩種以上特性的功能材料。鐵酸鉍（BiFeO₃）作為一種少數的單相多鐵材料，能在室溫下同時表現出鐵電性（居里相變溫度T_C=1103K）和較弱的反鐵磁性(尼爾相變溫度T_N=643K)，鐵電與鐵磁的耦合效應使得其在磁電（鐵電）信息存儲，非線性光學，自旋電子學，磁電傳感器和驅動器等領域具有廣泛的應用前景。

純相BiFeO₃具有菱方（三角）扭曲的鈣鈦礦結構，所屬的R3C點群雖然在理論上存在較弱的鐵磁性，但是尼爾溫度下，由于其G型反鐵磁有序的螺旋型自旋結構的磁性周期是62nm，這種結構上的相容調制決定了大部分原子磁矩相互抵消，使得BiFeO₃宏觀上幾乎觀察不到鐵磁性的存在，從而限制了其應用。因此如何增強BiFeO₃的磁性已成為目前亟待解決的問題。

在如何提高BiFeO₃鐵磁性的嘗試中，通過B位進行元素摻雜得到廣泛的研究和關注，在其中，由于Co和Fe在元素周期表位置相鄰，它們的原子半徑相近，所以普遍認為用Co替代Fe是比較容易實現的，一方面不會對BiFeO₃的晶格結構產生較大影響，可以保留其鐵電性；另一方面，因Co離子與Fe離子的磁矩不同，有望通過摻雜Co改變BiFeO₃的62nm自旋螺旋調制周期，解決反向自旋磁矩相抵消的問題，從而改善BiFeO₃的反鐵磁性能。

光學浮區法作為一種新的高效的晶體生長方法近年來得到迅速發展，它采用光學聚焦紅外加熱系統熔融多晶料棒，在生長的晶體和多晶料棒之間形成一段非常窄的熔區，靠溶液的表面張力和重力的平衡來維持穩定，熔區自上而下或者自下而上移動完成結晶，廣泛應用于高溫難熔氧化物、金屬間化合物、易揮發易污染材料的生長。光學浮區法能快速自發成核生長晶體，易保留晶體高溫相，能在電腦屏幕上對熔區進行實時動態精確觀察，便于對熔區進行有效及時調控，優化結晶質量。由于采用料棒邊熔化邊結晶的生長方式，能夠在高壓氣氛環境下，通過快速生長有效抑制揮發。在前期系統性試驗階段，采用光學浮區法能在較短時間積累豐富的實驗數據，從而節約了時間和成本。

BiFe_1‐xCo_xO₃熔體比較大的表面張力對光學浮區法形成高穩定的熔區頗為有利，另外其相變溫度范圍僅有50K，溫度偏低或偏高便會產生雜項Bi₂₅FeO₄₀，Bi₂Fe₄O₉，必須通過快速升降溫保持高溫相，所以對生長環境的靈敏度和準確性有一定的要求。因此。我們采用光學浮區法進行了BiFe_1‐xCo_xO₃，x=0.01,0.03,0.05,0.07,0.09,0.11，系列晶體的生長，對生長氣氛和壓強無特殊要求，結晶質量較高，重復性好，是一種棒狀晶體生長的新方法，長度最高可達100mm.

發明內容

本發明的目的是通過Co對Fe的替代以提高BiFeO₃的磁學性能。針對BiFe_1‐xCo_xO₃系列晶體生長過程中存在的問題和材料本身的特點，提供了一種在常壓空氣中，制備出高質量厘米級BiFe_1‐xCo_xO₃系列晶體的新生長方法。首先要制備出致密均勻單相的優質料棒，其次是摸索出光學浮區法生長該系列單晶的生長功率、生長速度、料棒籽晶轉速等最佳工藝參數。

為了解決上述技術問題，本發明是通過以下方案實現的：