新型多鐵陶瓷YFeO₃和YMnO₃研究狀況和前景分析

摘 要：YFeO3和YMnO3是兩種具有應用前景的第二類多鐵性陶瓷。這兩種材料具有一定程度的鐵磁性、鐵電性，磁電耦合效應，光電轉化效應等，具有多項優異性能。本文介紹了YFeO3和YMnO3兩種陶瓷的研究現狀、發展前景和出現的問題。

關鍵詞：YFeO3;YMnO3;多鐵材料

1概述

隨著科學技術的發展，多鐵陶瓷已經成為陶瓷材料的研究熱點。多鐵陶瓷可以兼具鐵磁性和鐵電性的優點，在大規模存儲和5G領域的應用中具有廣泛的運用前景。多鐵陶瓷材料分為兩種。第一類多鐵陶瓷是由于晶格畸變形成的，具有一定的鐵磁性和鐵電性，但磁電耦合性能較差。而第二類多鐵陶瓷，具有較強的磁電耦合性能，是下一代多鐵陶瓷的主要發展方向。YMnO3和YFeO3陶瓷是重要的第二類多鐵陶瓷材料，YMnO3陶瓷在室溫下具有宏觀鐵電性，而YFeO3陶瓷在室溫下具有宏觀鐵磁性，Mn和Fe元素可以實現無限相互固溶，而Mn和Fe的比例可以進行調整，根據需要可以控制Y（Mn，Fe）O3陶瓷的室溫下鐵電和鐵磁性。下面分別就YMnO3和YFeO3以及摻雜改性的Y（Mn，Fe）O3陶瓷的相關研究情況、問題和發展的前景進行介紹。

2YMnO3陶瓷

YMnO3成為陶瓷材料的研究熱點已經有大約30年的歷史。在低溫下具有弱的鐵磁性和較高的鐵電性，并體現反鐵磁特性。YMnO3陶瓷的居里溫度較高（Tc=914 K），但尼爾溫度較低（TN=80K），所以室溫下只有宏觀鐵電性能而無鐵磁性能，但另一方面，YMnO3陶瓷具有較強的磁電耦合作用，磁能和電能的轉化比較容易。鑒于上述情況，一方面必須通過改性和結構設計，提高YMnO3的居里溫度，以提升其室溫下的鐵磁性能。另一方面要充分提升其磁電轉換效率，從而進一步提高其應用潛力[1]。

在20世紀90年代，YMnO3主要是塊體陶瓷的研究為主，但材料的性能有限。2003年，借鑒了BiFeO3薄膜的優越性，六方YMnO3薄膜開始進行研制，并克服了塊體材料漏電流過大的缺點，形成完整的電滯回線。而后利用SPS燒結，在2009年又制得了六方YMnO3塊體陶瓷材料。在低溫下可以觀察磁滯回線，具有一定的弱磁性。王萌等人于2015年采用快速固相法制備了YMnO3粉末，并利用SPS（等離子熱壓燒結）制備了塊體YMnO3陶瓷，其各項鐵電和鐵磁性能均有較大幅度的提高，并且具有較低的缺陷和細化的晶粒尺寸，為下一步的實際應用奠定了基礎[2]。

3 正交YFeO3陶瓷

正交YFeO3為高溫穩定相，可以視作鈣鈦礦結構。它的鐵磁性和鐵電性來自不同的離子。鐵電性主要是來源于Y離子的軌道雜化。而磁性則來源于Fe離子的特殊傾斜結構。事實上，因為具有磁性離子Fe，和鐵疇結構的微傾斜，在本來具有的反鐵磁性的基礎上就具有弱的鐵磁性。此外，正交YFeO3還具有一定的光學性能和光電轉化性能。因此將正交YFeO3運用在磁電開關和多鐵多用途材料。

相對于YMnO3陶瓷，正交YFeO3陶瓷無論是從研究的廣度、深度和實際的應用來說，都具有較大的差距。而YFeO3陶瓷在室溫下具有鐵磁性，在這一點上具有較大的應用潛力。對正交YFeO3的研究也是從塊體陶瓷和粉末兩方面入手的。馬妍等人用傳統燒結的方法制備了高致密的正交YFeO3陶瓷，而且預測了在低溫下具有鐵電性。而尚明宇等人制備了YFeO3薄膜，并在室溫下獲得了完整的電滯回線，證明了其實際應用價值。另外，經過研究表明，YFeO3是窄帶系可見光半導體，正交YFeO3的帶隙寬度為2.6eV左右，可以有效地把光能轉換為電能[3]。

4六方YFeO3陶瓷

六方YFeO3與正交YFeO3不同，是低溫穩定相，其空間結構是P63cm。由于Y離子中心與Fe離子中心重合，所以在宏觀上不具有室溫鐵電性。但是隨著結構的變化，六方YFeO3的磁滯回線開始呈現鐵磁性的特點，其最大磁化強度和剩余磁化強度都有較大幅度的增加。而磁性能的增加也進一步促使六方YFeO3光帶隙寬度減小到1.8-2.2eV，相比正交YFeO3而言具有更好的光學性質和光電轉化效率。另外，有研究表明六方YFeO3在溶液中還有較好的吸附性能和催化性能，可以作為催化劑和凈水劑的選擇材料[3]。

5YFeO3的摻雜改性

對于YFeO3的摻雜改性，主要有A位摻雜、B位摻雜和AB位共摻雜等三種方式，目的主要是為了提高材料的磁學性能。在A位主要是摻雜一些稀土元素，利用其較大的磁矩來提高其磁學性能。Lu元素的A位摻雜，磁性顯著增大。另外，這種摻雜也可以獲得低溫鐵電性，實現其多鐵功能。通過Gd摻雜也實現了類似的效果。而對于B位摻雜，除了Cr摻雜導致Fe–O–Fe， C–O–Cr 和Fe–O–Cr 反鐵磁耦合提高磁性外，還可以利用高價Ti4+摻雜抑制Fe3+轉化為Fe2+，從而提高磁性。Mn的加入提高鐵電性，但破壞FeO6六面體，導致磁性下降。共摻雜僅有Ho和Cr對于Y和Fe的替代，綜合利用了A位和B位摻雜的優勢，最大磁化強度提高了大約30%。

另外，王萌等人采用了Zr摻雜，可以實現六方YFeO3和正交YFeO3的轉化，拓寬了六方YFeO3的生成溫度范圍，更加有利于高純的六方YFeO3的生成。另外，采用Gd和Co的雙重改性[3]。

6 總結

綜上所述，對于YFeO3和YMnO3陶瓷的研究有了一定的進展，但材料的各項性能與復合多鐵陶瓷相比仍有較大的差距。所以需要進一步的研究。

參考文獻：

[1]Ma， Y.， Wu， Y. J.， Chen， X. M.， Cheng， J. P.， & Lin， Y. Q. （2009）. In situ synthesis of multiferroic YMnO3 ceramics by SPS and their characterization. Ceramics International， 35（8）， 3051-3055.

[2]Zheng， H. W. ， Liu， Y. F. ， Zhang， W. Y. ， Liu， S. J. ， Zhang， H. R.， & Wang， K. F. （2010）. Spin-glassy behavior and exchange bias effect of hexagonal YMnO3 nanoparticles fabricated by hydrothermal process. Journal of Applied Physics， 107（5）， 9498-219.

[2]Wang， M. ， Wang， T. ， Song， S. ， Ma， Q. ， & Liu， R. . （2017）. Effect of sintering temperature on structural， dielectric， and magnetic properties of multiferroic YFeO3 ceramics fabricated by spark plasma sintering. Materials， 10（3）， 267.

作者簡介：

王萌（1985.2-），男，漢族，黑龍江省哈爾濱市人，博士學歷，講師職稱，現任深圳職業技術學院教師，主要研究方向：先進陶瓷材料。

致謝：本文受到深圳市出站博士后科研資助項目（6020271008K）和廣東省教育廳青年人才項目（6020210024K）資助。