[论文解读] Magnetic and Dielectric Properties of Multiferroic BiFeO3 Nanoparticles Synthesized by a Novel Citrate Combustion Method

Samar Layek, H. C. Verma|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2015

Multiferroics and related materials被引用 7

一句话总结

本研究提出了一种新型无溶剂柠檬酸燃烧法，用于合成平均粒径为47 nm的单相BiFeO3纳米颗粒，其结晶为菱面体R3c钙钛矿结构。这些纳米颗粒表现出弱铁磁性，其矫顽力为180 Oe，且通过57Fe Mössbauer谱测得超精细场为49.5 T，但未表现出高介电常数，与块体陶瓷材料形成鲜明对比。

ABSTRACT

Single phase BiFeO3 nanoparticles have been successfully synthesized for the first time by a novel citrate combustion method without using any solvent. Well mixed metal nitrates along with citric acid which is used as fuel combust to give BiFeO3 nanoparticles after annealing. These particles are single phase in nature and crystallize in the rhombohedral distorted perovskite structure (space group-R3c) which has been confirmed by the Rietveld refinement of the room temperature powder x-ray diffraction data. Nearly spherical particles of average particle size 47 nm have been seen from transmission electron micrograph. Room temperature magnetic hysteresis measurement shows weak ferromagnetism though the magnetization does not saturate upto 1.75 T applied field. The coercive field value is calculated to be 180 Oe which is 3 times higher than that prepared by solvent free combustion method using Glycine. 57Fe Mössbauer spectrum can be fitted with a sextet corresponding to single magnetic state of hyperfine field about 49.5 T corresponding to Fe3+ state of the iron atom. The dielectric relaxation and ac conductivity as a function of frequency have been discussed. High dielectric permittivity has not been found in these nanoparticles like other reported BiFeO3 ceramics.

研究动机与目标

• 开发一种无溶剂、低成本的单相BiFeO3纳米颗粒合成路线。
• 研究通过新型柠檬酸燃烧法合成的BiFeO3纳米颗粒的磁性和介电性能。
• 理解BiFeO3在纳米尺度下的结构与磁性行为，特别是其与块体材料介电响应的差异。
• 将柠檬酸燃烧法合成的BiFeO3的磁性与其它无溶剂方法（如甘氨酸基燃烧法）的结果进行比较。

提出的方法

• 采用无溶剂柠檬酸燃烧法，以硝酸铋和硝酸铁为前驱体，柠檬酸作为燃料。
• 将混合的硝酸盐-柠檬酸前驱体进行热处理，引发自持燃烧，经退火后形成BiFeO3纳米颗粒。
• 通过X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修，确认所合成纳米颗粒的菱面体R3c钙钛矿结构。
• 利用透射电子显微镜（TEM）测定颗粒形貌与尺寸，结果显示颗粒近似球形，粒径约为47 nm。
• 在室温下进行磁滞回线测量，以评估其铁磁行为及矫顽力。
• 采用57Fe Mössbauer谱分析铁的超精细场与氧化态，确认铁处于单一磁性状态的Fe3+。

实验结果

研究问题

• RQ1 无溶剂柠檬酸燃烧法是否能够不使用任何溶剂，合成出单相BiFeO3纳米颗粒？
• RQ2 通过该新型柠檬酸燃烧法合成的BiFeO3纳米颗粒的磁性行为如何，特别是其矫顽力与饱和磁化强度？
• RQ3 这些纳米颗粒的介电响应与块体材料或其他纳米结构BiFeO3陶瓷相比有何差异？
• RQ4 57Fe Mössbauer谱揭示的BiFeO3纳米颗粒中铁的超精细相互作用如何？
• RQ5 颗粒尺寸与形貌是否影响该合成方法中观察到的磁性和介电性能？

主要发现

• 所合成的BiFeO3纳米颗粒为单相，其菱面体R3c钙钛矿结构经XRD数据的Rietveld精修得到证实。
• 平均粒径为47 nm，透射电子显微镜观察显示颗粒呈近似球形。
• 室温磁滞回线显示其具有弱铁磁性，矫顽力为180 Oe，是甘氨酸基无溶剂燃烧法所得样品的三倍。
• 57Fe Mössbauer谱拟合为对应于单一磁性状态的六重峰，超精细场为49.5 T，确认了Fe3+的氧化态。
• 纳米颗粒中未观察到高介电常数，与其它BiFeO3陶瓷的报道结果形成对比。
• 介电弛豫与交流电导率行为具有频率依赖性，表明其为非德鲁伊型弛豫过程。