提高BiFeO3导电性能的方法

提高bifeo3导电性能的方法
技术领域
1.本发明属于超高压下凝聚态物质的电学特性技术领域，具体涉及一种提高bifeo3导电性能的方法。


背景技术：

2.作为重要的功能材料，铁电材料的性质吸引了广大学者的注意。一般铁电材料可以同时具有压电、热电、电光、声光、磁电耦合等多重优越性能。abo3型晶体是非常重要的一类钙钛矿型铁电晶体体具有一系列优越的性质，如超导性，电磁耦合性，电光等。由于具有较强的压电效应，abo3型铁电体被广泛应用于医学成像，传感器，以及传动器等领域。为人类的生产生活提供了极大的方便，多种特性共存的铁电晶体也激励着无数科研人员的工作热情。
3.铁酸铋作为室温下具有铁电性和反铁磁型的多铁性材料引起了人们的广泛关注。极高的极化强度和载流子密度奠定了它在微电子学器件，铁电二极管，铁电隧道结中。利用其良好的磁电耦合性能可以在一定条件下实现磁与电的互相控制，这对微电子学领域、能源转化和传感驱动等领域的工业需求具有潜在的应用前景。铁酸铋还可以应用于无损耗，低能耗，高密度的铁磁随机存取储存器。
4.bifeo3不仅是一种经典的环境友好型材料，并且是钙钛矿型铁电材料，但其在常压下是绝缘体，因此限制了它在电学器件上的广泛应用。因此需要一种简单有效的方式来降低bifeo3的电阻，提高它的导电性能以便对其进行更好的应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种提高bifeo3的导电性能的方法。该方法能够将bifeo3的导电性能显著提高。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种提高bifeo3的导电性能的方法，包括以下步骤：
8.s1、在室温条件下，在金刚石对顶砧装置中，以钢片预压作为垫片。
9.s2、将待提高导电性的样品加入至金刚石对顶砧装置中，制备完成样品腔。
10.s3、利用金刚石对顶砧装置对样品腔内部加压力，样品腔内部的压力为11～40gpa，通过对所施加压力的控制，完成提高bifeo3的导电性能。进一步地，在步骤s3中，样品腔内部的压力为11～40gpa。
11.进一步地，在步骤s3中，以红宝石荧光峰作为压力大小的标定对象。
12.进一步地，在步骤s1中，还包括对垫片进行绝缘处理，具体步骤为：
13.在预压后的垫片的压痕中心打孔，形成压痕孔，将绝缘粉研磨后填入至压痕孔。
14.进一步地，提高bifeo3的导电性能的方法中所使用的绝缘粉为al2o3和(c
11h10
o3)n的混合物。
15.进一步地，提高bifeo3的导电性能的方法中所使用的绝缘粉中al2o3和(c
11h10
o3)n的质量比为6:1～7:1。
16.与现有技术相比，本发明有益效果如下：
17.本发明所提供的提高bifeo3的导电性能的方法，在常温条件下，通过对铁电材料bifeo3施加压力来改变材料的导电性能，使bifeo3的电阻减小，进而使bifeo3的导电性能得到显著提高。本发明所提供的高bifeo3的导电性能的方法操作过程可控制，不仅为bifeo3在电学领域的应用指明了新的方向和思路，还能够使经过本发明方法处理后的bifeo3，在与常压时的电阻相比减小5个数量级，使bifeo3的导电性能得到显著提高。
附图说明
18.图1是本发明提供的是实施例1压力为0.50～2.40gpa条件下的bifeo3材料的高压原位阻抗图谱；
19.图2是本发明提供的是实施例1压力为1.06～2.40gpa条件下的bifeo3材料的高压原位阻抗图谱；
20.图3是本发明提供的是实施例2压力为3.13～5.25gpa条件下的bifeo3材料的高压原位阻抗图谱；
21.图4是本发明提供的是实施例3压力为7.17～14.48gpa条件下的bifeo3材料的高压原位阻抗图谱；
22.图5是本发明提供的是实施例4压力为16.56～19.21gpa条件下的bifeo3材料的高压原位阻抗图谱；
23.图6是本发明提供的是实施例5压力为22.25～39.64gpa条件下的bifeo3材料的高压原位阻抗图谱；
24.图7是本发明提供的是实施例5压力为0～40gpa条件下bifeo3材料的电阻率，晶粒电阻晶界电阻，总电阻随压力的变化关系图；
25.图8(a)是本发明提供的是实施例1压力条件下bifeo3材料的等效电路模型；
26.图8(b)是本发明提供的是实施例3压力条件下bifeo3材料的等效电路模型；
27.图8(c)是本发明提供的是实施例5压力条件下bifeo3材料的等效电路模型。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.下面结合实施例对提高bifeo3的导电性能的方法进行详细说明。
30.本发明的实施例中，均采用原位阻抗谱测试，实验条件为室温，实验仪器是solartron1260/1296阻抗谱测量仪，选择电压为1v的交流电流，选择频率范围为0.001～107hz。
31.实施例1：
32.一种提高bifeo3的导电性能的方法，包括以下步骤：
33.s1、在室温条件下，组装产生压力的金刚石对顶砧装置即压机，对组装好的压机进
行调平、对中，在金刚石的砧面上布两电极。在金刚石对顶砧装置中，在t301钢片的中心处压出金刚石压砧痕迹后，将带有压痕的t301钢片作为垫片，压痕厚度约为60μm。在预压好的绝缘垫片的压痕中心打一个半径为75μm的孔，作为压痕孔，将绝缘粉研磨后填入至压痕孔，对垫片进行绝缘处理。将制作好的绝缘垫片复位，使垫片砧面压痕与金刚石的上砧面完全贴合，电极应位于复合绝缘垫片所打孔的中心。
34.本发明实施例中绝缘粉为al2o3和(c
11h10
o3)n的混合物，其中al2o3和(c
11h10
o3)n的质量比为6:1。绝缘粉的作用是绝缘，在后续测量待提高导电性的样品的导电特性时，是在样品腔内进行测试，而样品腔的垫片是材质为t301钢片的导体，为了保证后续测量数据的准确性，所以样品腔附近做好绝缘。al2o3和(c
11h10
o3)n质量比为6:1～7：1均能保证后续测量数据的准确性，在本发明实施例中对此不进行限定，可以根据实际情况进行选择。
35.s2、将待提高导电性的样品加入至金刚石对顶砧装置中，制备完成样品腔。
36.充分研磨bifeo3粉末，将研磨好的bifeo3粉末，即待提高导电性的样品添加在金刚石对顶砧密封样品腔内，并用红宝石进行标压。组装完成后，从压机的测试观察窗观察电极是否搭在待提高导电性的样品上，若电极搭在待提高导电性的样品上，即进行测试。
37.s3、利用金刚石对顶砧装置对样品腔内部加压力，完成提高bifeo3的导电性能。
38.利用金刚石对顶砧装置样品腔内部施加压力，使样品腔内部压力在0.50～2.40gpa、1.06～2.40gpa区间内变化，此压力区间内取0.50gpa、1.06gpa、1.50gpa、2.40gpa等压力点进行高压原位阻抗谱测试。具体的原位阻抗谱测试结果如图1和图2所示。
39.分析电化学阻抗谱，并建立对应的等效电路模型，选择0.50gpa的实验数据拟合具体的拟合结果见图8(a)。
40.实施例2：
41.利用金刚石对顶砧装置样品腔内部施加压力，使样品腔内部压力在3.13～5.25gpa区间内变化，此压力区间内取3.13gpa、5.25gpa等压力点进行高压原位阻抗谱测试。具体的原位阻抗谱测试结果如图3所示。其中，r2代表离子电阻；r3代表晶界中的电子电阻；rg代表晶粒电阻；r
gb
代表晶界电阻；wo代表warburg阻抗；cpe1和cpe2代表常相位角元件。r2代表晶界中的离子电阻；r3代表晶界中的电子电阻；rg代表晶粒电阻；r
gb
代表晶界电阻；wo代表warburg阻抗；cpe1和cpe2代表常相位角元件。
42.实施例3：
43.利用金刚石对顶砧装置样品腔内部施加压力，使样品腔内部压力在7.10～14.48gpa区间内变化，此压力区间内取7.17gpa、8.01gpa、11.01gpa、13.13gpa、14.48gpa等压力点进行高压原位阻抗谱测试。具体的原位阻抗谱测试结果如图4所示。
44.分析电化学阻抗谱，并建立对应的等效电路模型，选择7.67gpa的实验数据拟合具体的拟合结果见图8(b)。
45.实施例4：
46.利用金刚石对顶砧装置样品腔内部施加压力，使样品腔内部压力在16.56～19.21gpa区间内变化，此压力区间内取16.56gpa、17.58gpa、18.51gpa、19.21gpa等压力点进行高压原位阻抗谱测试。具体的原位阻抗谱测试结果如图5所示。
47.实施例5：
48.利用金刚石对顶砧装置样品腔内部施加压力，使样品腔内部压力在22.25～
39.64gpa区间内变化，此压力区间内取22.25gpa、26.76gpa、29.96gpa、33gpa、35.59gpa、37.59gpa、39.64gpa等压力点进行高压原位阻抗谱测试。具体的原位阻抗谱测试结果如图6所示。
49.分析电化学阻抗谱，并建立对应的等效电路模型，选择29.96gpa的实验数据拟合具体的拟合结果见图8(c)。
50.bifeo3为多铁材料即既有铁电又有铁磁性。为了不诱导出铁磁性，在通过向样品腔内部施加压力时，本发明所提供的技术方案在选择所施加的压力时，有效的避免将bifeo3材料的磁性化，即在本发明所选择加压的压力区间内能够有效避免发生磁电耦合的干扰，防止影响bifeo3材料的导电性能。
51.bifeo3材料的电阻是导体本身的一种性质，通常只能通过材料本身进行处理来减小电阻。常用的手段有减小导体的长度，增大导体横截面积，选用电阻率更小的材料制成导体，降低导体的温度等。但减小长度，增大表面积并不适用于粉末状样品。降低温度所需要的成本太高。因此本发明的技术方案所提出的一种提高bifeo3的导电性能的方法，为bifeo3在电学领域的应用指明了新的方向和思路，使经过本发明方法处理后的bifeo3，在与常压时的电阻相比减小5个数量级，使bifeo3的导电性能得到显著提高。
52.结合本发明提供的实施例1～5，可以得出结论：本方法利用高压技术提高bifeo3材料的导电性能成本低廉，且降低的幅度比现有技术中的技术方案更大。
53.结合本发明提供的实施例1～5，利用zview软件，如图7所示，根据公式ρ＝rs/l可以得到不同压力下电阻率随压力的变化关系。其中，ρ代表电阻率，r代表电阻，s代表导体的面积，l代表导体的长度。将实施例1～5测得的原位阻抗谱实验数据拟合可以获得晶粒电阻、晶界电阻阻值。并根据公式r
total
＝r
grain
+r
grainboundary
，得到总电阻随压力变化关系。其中，r
total
代表总电阻，r
grain
代表晶粒电阻，r
grainboundary
代表晶界电阻。
54.从图7中还可以发现，在11gpa以后随着压力的增加，电阻逐渐减小。又因为电阻率是总电阻的倒数，所以在11gpa以后电阻率增加。晶粒晶界电阻总体保持减小的状态，但是在11～20gpa晶界电阻略有增大，但由于晶粒电阻保持大幅度的减小所以不影响总的电阻呈减小的趋势。总电阻在11gpa以后的断崖式减小表明高压下bifeo3的导电性能逐渐变好。通过所施加的压力与电阻的关系，可以看出随着施加压力的增大，常温常压下绝缘的bifeo3材料变成了半导体，有效地提高了导电性能。特别是在11～40gpa范围内电阻有断崖式下降。即bifeo3材料在11gpa之前为绝缘体，随着施加压力的增加电阻逐渐减小，当所施加的压力值在40gpa时转变为半导体。因此，可以通过高压使bifeo3铁电材料的总电阻不断降低，得到具有较好导电性能的bifeo3材料，本发明方法也可用于其他铁电材料的导电性能的提高研究。
55.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
56.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
57.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。