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研究生:張晉健
研究生(外文):Chin-chien Chang
論文名稱:BiFeO3摻雜Pb之介電特性研究
論文名稱(外文):Dielectric Properties Research On Bi1-xPbxFeO3
指導教授:周雄
指導教授(外文):Hsiung Chou
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:物理學系研究所
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:多鐵性晶格結構介電常數
外文關鍵詞:dielectric constantmultiferroiccrystal structureferroelectric
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近年來許多科學家都在研究多鐵性(multiferroic)材料,由於此多鐵性材料同時兼具鐵電(ferroelectric)和鐵磁(ferromagnetic)的特性,鐵電特性與鐵磁特性彼此互相偶合而形成多鐵性效應。目前比較熱門的多鐵性材料有稀土族錳氧化物REMnO(113系列、125系列)、BiFeO3..等,其中較令我們感興趣的為BiFeO3,此材料在室溫下可以擁有多鐵性效應;然而,BiFeO3純相非常難配製,因為其Bi元素不穩定,導致有很嚴重的漏電性質,因此我們特別選擇摻雜Pb元素研究之。
本實驗是利用固態(solid state)混合方法去製作BiFeO3粉末,在製程上我們是以傳統的陶瓷混合粉末的方式,製作出接近純相的BiFeO3塊材,同時也製作了BiFeO3摻雜Pb元素的粉末,研究是否摻雜Pb可以穩定BiFeO3,以及探討摻雜不同比例的Pb元素對BiFeO3晶格結構及介電特性的變化。
由實驗結果可以得知, Bi1-xPbxFeO3在x=0.1時可以明顯發現其結構的變化,由菱形晶(rhombohedral)結構轉變成立方晶(cubic)結構。並且在測量其介電常數時,可以發現BiFeO3因摻雜了Pb元素,致使它的介電常數不減反增,改善了原本BiFeO3因含有其它鉍(Bi)的氧化物所形成雜相,造成介電常數降低而產生的漏電性質;此改善現象發現有類似穏定BiFeO3的作用。
With combination of the both ferroelectric and ferromagnetic and mutural coupling properties, multiferroics attracts a lot of researcher’s attentions. Among these very popular materials, such as REMnO (113 series, 125 series), BiFeO3 etc… , the BiFeO3 interests us the most for it manifests multiferroic effects above the room temperature. However, the pure BiFeO3 phase is very difficult to form and a serious lost of Bi creates complex grain boundaries that produces enormous electric leaking. In this study, Pb is doped into BiFeO3 in Bi sites and we hope this doping effect may increase the stability and the ferroelectricity of Bi1-xPbxFeO3.
It is found that the crystal structure is changed dramatically, because of the doping of Pb, from the rhombohedra structure of the parent pure BiFeO3 to the cubic structure of Bi0.85Pb0.15FeO3. By the Pb doping, the compounds exhibit free from impurity phases and the dielectric constants are enhanced qualitatively to the doping levels.
目錄
第一章 前言……………………………………………………………1
1.1 簡介…………………………………………………………1
1.2 研究動機……………………………………………………2
第二章 理論介紹……………………………………………………4
2.1 Multiferroic的理論基礎………………………………4
2.1.1 極化機制………………………………………………4
2.1.2 鐵電性質………………………………………………6
2.1.3 介電性質………………………………………………7
2.1.4 漏電流機制……………………………………………9
2.1.5 磁性原理………………………………………………11
2.1.6 多鐵性質…………………………………………………13
2.2 BiFeO3特性……………………………………………13
2.2.1 BiFeO3晶體結構………………………………………13
2.2.2 BiFeO3的鐵電性………………………………………14
2.2.3 BifeO3的鐵磁性………………………………………15
第三章 實驗方法……………………………………………………22
3.1 樣品製備…………………………………………………22
3.1.1 BiFeO3 bulk製作………………………………………22
3.1.2 BiFeO3摻雜Pb元素的粉末製備……………………22
3.2 實驗量測…………………………………………………23
3.2.1 晶體結構量測…………………………………………23
3.2.2 微觀結構量測 …………………………………………23
3.2.3 阻抗分析與介電常數的量測 …………………………24
3.2.4 等效電路阻抗分析法於介電性質之應用……………25
第四章 數據分析與討論……………………………………………30
4.1 X-ray 繞射分析……………………………………………30
4.1.1 BiFeO3 X-ray 繞射分析………………………………30
4.1.2 Bi1-XPbXFeO3 X-ray 繞射分析…………………………34
4.1.3 X-ray繞射圖疊加分析…………………………………38
4.2 SEM(BEI&EDS)分析……………………………………43
4.2.1 BiFeO3 SEM 分析……………………………………43
4.2.2 Bi1-XPbXFeO3 SEM 分析……………………………48
4.2.3 BEI圖綜合分析………………………………………59
4.3 Dielectric constant 分析………………………………….62
4.3.1 BiFeO3 Dielectric constant 分析……………………62
4.3.2 Bi1-XPbXFeO3 Dielectric constant 分析………………65
4.3.3 Dielectric constant 綜合比較…………………………72
4.3.3 Bi1-XPbXFeO3變頻量測的Dielectric constant分析……74
第五章 結論…………………………………………………………77
第六章 附錄…………………………………………………………79
6.1 實驗方法……………………………………………………79
6.2 數據分析……………………………………………………79
6.3 結論…………………………………………………………80
第七章 參考文獻……………………………………………………84
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