虞鵬飛,熱比古麗·圖爾蓀
(新疆大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,烏魯木齊 830046)
多鐵材料是一種同時具備鐵電性、鐵磁性和鐵彈性等兩種或兩種以上鐵性的功能材料[1]。不同鐵性的耦合作用在材料中扮演著重要角色,不僅能相互調(diào)控,還能對外部環(huán)境做出響應(yīng),并呈現(xiàn)出新的物理效應(yīng),這為多鐵性材料在高性能信息存儲器件[2]、多功能磁電傳感器件[3]、濾波器件[4]等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的前景。鈦酸鎳(NiTiO3)是一種具有菱形R3(148)對稱性的鈦鐵礦結(jié)構(gòu)雙金屬半導(dǎo)體,被認(rèn)為是候選多鐵性材料[5]。NiTiO3的晶胞結(jié)構(gòu)由NiO6八面體和TiO6八面體組成,八面體沿c軸連接,具有良好的穩(wěn)定性[6]。NiTiO3具有較高的電容量理論值和較好的循環(huán)穩(wěn)定性,能容納鋰離子的攝入和脫出,可用作鋰離子電池的電極材料[7]。NiTiO3還可以作為光電材料,對NiTiO3進(jìn)行摻雜或晶體結(jié)構(gòu)調(diào)控,可以改善其光吸收和光電轉(zhuǎn)換效率,從而提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率[8]。NiTiO3也被用作光催化劑,可分解有機(jī)污染物[9-10],促進(jìn)水分解產(chǎn)氫[11]。NiTiO3具有良好的耐候性、抗污染能力和化學(xué)穩(wěn)定性,可作為彩色油墨、高溫處理陶瓷和玻璃的著色劑等[12-13]。NiTiO3還具有高靈敏度、選擇性、可逆性和穩(wěn)定性,是制備各種傳感器的理想材料[14-15]。VARGA 等[16]合成的NiTiO3薄膜在室溫下具有鐵電性,在250 K 以下顯示弱鐵磁性。TURSUN等[17]采用溶膠-凝膠法合成的NiTiO3在室溫下具有鐵電性和反鐵磁性。YUVARAJ 等[18]通過熔鹽法合成的NiTiO3粉體具有反鐵磁性和超順磁性。從現(xiàn)有研究成果可以獲得以下結(jié)論:1) 引入磁性離子可以引發(fā)磁性和鐵電性之間的相互作用,進(jìn)而增強(qiáng)多鐵性能;2) 通過調(diào)控離子占位方式,可以改變晶體結(jié)構(gòu)并影響多鐵性能;3) 制備方法會影響晶體結(jié)構(gòu)和離子排列方式,從而對多鐵性能產(chǎn)生直接影響。因此,通過元素?fù)诫s改變NiTiO3晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)而改善其性能,是實(shí)現(xiàn)鐵電性與鐵磁性共存的可行方案。稀土元素具有復(fù)雜的電子結(jié)構(gòu),包括多個4f 電子軌道,能夠提供多種不同的電子態(tài)和能級,從而影響材料的電子和物理性能。一些稀土元素具有特殊的磁學(xué)性能,如鐵磁性、亞鐵磁性等,可以通過摻雜這些稀土元素來改變或增強(qiáng)材料的磁性。HACHIMI等[19]利用共沉淀法合成的Nd 摻雜ZnO 材料在室溫下表現(xiàn)出順磁性,在50 K 以下磁化強(qiáng)度大幅增加。氧空位和Nd 位置的無序效應(yīng)對Nd 摻雜ZnO 材料鐵磁性的激發(fā)起到關(guān)鍵作用。KUMARI 等[20]通過固相法制備Sm 摻雜BaTiO3陶瓷,發(fā)現(xiàn)Sm 摻雜使陶瓷樣品自發(fā)極化強(qiáng)度增強(qiáng)。ZAFAR 等[21]采用水熱法合成了Eu 摻雜BiFeO3,發(fā)現(xiàn)樣品的交流電導(dǎo)率與外加電場頻率相關(guān),且隨摻雜濃度增大而降低。TONG 等[22]采用自蔓延燃燒法制備Ni1-xRxTiO3(R=Y、La、Sm 和Eu)顏料,發(fā)現(xiàn)以R3+取代Ni2+可以改善顏料的黃度,以Eu3+代替Ni2+的樣品近紅外反射率(89.0%)最高。
目前,NiTiO3主要的合成方法有:溶膠-凝膠法[23-24]、固相燒結(jié)法[25]、熔鹽法[26]、微波燒結(jié)法[27]和溶劑熱法[28-29]等。與傳統(tǒng)的制備方法相比,溶膠-凝膠法操作相對簡單,無需復(fù)雜的設(shè)備和條件,制備出的材料純度高。通過調(diào)節(jié)溶液濃度、pH 值、反應(yīng)溫度等參數(shù),可以精確控制合成材料的形貌、尺寸和結(jié)構(gòu)等。本文采用溶膠-凝膠法制備納米Ni1-xRxTiO3(R=Nd、Sm 和Eu,x=0、0.05 和0.1)粉末。研究Nd、Sm 和Eu 摻雜對NiTiO3結(jié)構(gòu)與光電磁性能的影響,探究NiTiO3在室溫下實(shí)現(xiàn)鐵電性與鐵磁性共存的可能性,拓展NiTiO3的應(yīng)用領(lǐng)域。
采用溶膠-凝膠法制備Ni1-xRxTiO3(R=Nd、Sm和Eu,x=0、0.05 和0.1)粉末。首先,將9.5 mmol六水合硝酸鎳(Ni(NO3)2·6H2O)與0.5 mmol 稀土元素硝酸鹽(六水合硝酸釹(Nd(NO3)3·6H2O)、六水合硝酸釤(Sm(NO3)3·6H2O) 和六水合硝酸銪(Eu(NO3)3·6H2O))在100 mL 無水乙醇(C2H5OH)中溶解,并磁力攪拌30 min。然后將10 mmol 鈦酸四丁酯(Ti(OC4H9)4)和10 mmol檸檬酸(C6H8O7)加入到混合溶液中持續(xù)攪拌3 h,形成100 mmol/L 的透明溶液。將溶液在室溫下靜置陳化24 h,再置于80 ℃的干燥箱中干燥,得到前驅(qū)體干凝膠。最后,將前驅(qū)體在700 ℃空氣氣氛中退火3 h,獲得納米Ni1-xRxTiO3粉末。
使用X 射線粉末衍射儀(D8 Advance,布魯克,德國)測試粉末樣品的相結(jié)構(gòu),激光光源為Cu-Kα,波長為0.154 178 nm,掃描角度為10°~80°,掃描速度為4 (°)/min。使用掃描電子顯微鏡(SU8010,日立公司,日本)觀察樣品的表面形貌。通過X 射線光電子能譜(ESCALAB250Xi, Thermo Fisher Scientific,美國)對樣品中各元素的價態(tài)進(jìn)行測試。在數(shù)據(jù)處理時,所有樣品的結(jié)合能都需要使用284.8 eV 的C 1s 峰進(jìn)行校正。利用拉曼光譜儀(Labram HR800, Raman,法國)分析樣品的化學(xué)鍵振動,掃描波數(shù)范圍為100~1 500 cm-1。通過紫外可見分光光度計(jì)(U-3010,日立公司,日本)分析樣品的吸光度。采用綜合物性測量系統(tǒng)(physical property measurement system, PPMS)對樣品在室溫下的磁性能進(jìn)行表征。使用TF-2000 鐵電分析儀進(jìn)行電滯回線的測量。
圖1 所示為Ni1-xRxTiO3(R=Nd、Sm 和Eu,x=0、0.05 和0.1)粉末樣品的XRD 圖譜。所有樣品在2θ約為24.2°、33.1°、35.7°、40.8°、49.5°、53.9°、62.6°、64.1°處出現(xiàn)衍射峰,分別對應(yīng)于NiTiO3(JC PDS No. 83-0198)的(012)、(104)、(110)、(11)、(024)、(11)、(12)、(300)晶面的衍射峰。由此可知,當(dāng)Ni 位摻雜不同種類和不同比例的稀土元素時,樣品不會發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變[30]。所有樣品的XRD圖譜中均沒有出現(xiàn)其他物相特征峰,證明了高純度Ni1-xRxTiO3樣品的成功制備。當(dāng)x=0 和0.05 時,衍射峰形狀尖而窄,說明樣品具有較高的結(jié)晶度;而x=0.1 時,衍射峰強(qiáng)度降低,這是因?yàn)镹d、Sm 和Eu 的離子半徑較大,使晶體生長過程受到阻礙,導(dǎo)致晶體生長速率變慢,無法形成完整的晶體結(jié)構(gòu),從而影響樣品的結(jié)晶度[31]。
結(jié)合XRD 圖譜,用Debye-Scherrer 公式估算Ni1-xRxTiO3樣品的平均晶粒尺寸D:
式中:0.89 為Scherrer 常數(shù),λ為X 射線Cu-Kα光源的波長(0.154 178 nm),β為衍射峰的半峰寬,θ為衍射角。
為了分析Nd、Sm 和Eu 摻雜對晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,利用Goldschmidt 公式計(jì)算容差因子t,用來表示摻雜樣品的穩(wěn)定性[30]:
式中:RA、RB和分別為A 位陽離子、B 位陽離子和O2-(0.14 nm)的半徑。對于穩(wěn)定的鈦鐵礦結(jié)構(gòu),0.745<t<1,其中NiTiO3的t=0.965[32]。
表1 所列為Ni1-xRxTiO3(R=Nd、Sm 和Eu,x=0、0.05 和0.1)樣品的晶格參數(shù)、晶粒尺寸、c/a值、晶胞體積和容差因子。樣品的晶粒尺寸隨摻雜量的增大而減小。由于稀土元素?fù)诫s通常會存在離子半徑和電荷差異(化合價不匹配),導(dǎo)致晶格畸變,從而改變原始晶格的局部結(jié)構(gòu),增加晶界面密度,限制晶粒生長和晶體大小。晶格畸變還能提供較高的表面能量,使晶界具有較高的活性,阻礙晶粒長大[33]。用半徑較大的Nd3+(0.099 5 nm)、Sm3+(0.096 4 nm)和Eu3+(0.094 7 nm)替代Ni2+(0.069 0 nm),導(dǎo)致容差因子隨著摻雜量的增大而略有減小,但還在0.745<t<1 的范圍內(nèi),不會破壞鈦鐵礦結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
表1 Ni1-xRxTiO3 樣品的晶格參數(shù)、平均晶粒尺寸、c/a 值、晶胞體積和容差因子Table 1 The lattice parameter, average crystallite size, c/a value, unit cell volume, and tolerance factor of Ni1-xRxTiO3 samples
圖2 所示為Ni1-xRxTiO3(R= Nd、Sm 和Eu,x=0、0.05 和0.1)樣品的SEM 圖,所有樣品顯示出相似的形貌,因此稀土元素?fù)诫s不會影響顆粒形態(tài)。NiTiO3粉末由(21.3±0.1)~(38.5±0.2) nm 的晶粒組成。
圖2 Ni1-xRxTiO3 樣品的SEM 圖Fig.2 SEM images of Ni1-xRxTiO3 samples
圖3 所示為Ni0.9R0.1TiO3(R=Nd、Sm 和Eu)樣品的XPS 圖譜。由圖3(b)可知,Ni 在結(jié)合能為855.56~855.75 eV 和873.21~873.35 eV 處的峰分別歸屬于Ni 2P3/2和Ni 2P1/2態(tài)[34]。861.65~861.72eV 和879.56~879.73 eV 處的寬衛(wèi)星峰是Ni2+的特征峰[35]。圖3(c)中的Ti 2p 峰位于458.08~458.19 eV和463.83~468.92 eV 處,表明Ti 處于Ti4+態(tài)[36]。由圖3(d)可知,529.99~530.10 eV 處的峰是O 1s特征峰,歸因于晶格中氧的存在[37]。530.00~534.00 eV之間的第二個峰表示存在吸附的O-、OH-或O2-,表明樣品表面有氧空位[38]。
圖3 Ni0.9R0.1TiO3 樣品的XPS 圖譜Fig.3 XPS spectra of Ni0.9R0.1TiO3 samples
圖3(e)為Nd 3d 的XPS 光譜,981.05 eV 和1 005.57 eV 處的雙重峰歸屬于Nd3+的Nd 3d5/2和Nd 3d3/2[39]。974.12 eV 附近的峰對應(yīng)OKLL 俄歇峰[40]。圖3(f)為Sm 3d 的XPS 光譜,1 083.26 eV和1 109.42 eV 處觀察到兩個峰,分別歸屬于Sm3+的Sm d5/2和Sm d3/2能級[41]。圖3(g)為Eu 3d 的XPS光譜,1 134.10 eV 和1 164.15 eV 處的兩個峰,分別歸屬于Eu3+的Eu 3d5/2和Eu 3d3/2[42]。XPS 分析進(jìn)一步表明Nd、Sm 和Eu 元素以三價離子的形式被摻雜到NiTiO3晶格Ni 位上。
圖4 所示為Ni0.95R0.05TiO3(R=Nd、Sm 和Eu)樣品的EDS 分析結(jié)果??梢园l(fā)現(xiàn)Nd、Sm 和Eu 成功摻入,且 Ni 與摻雜元素的物質(zhì)的量比接近0.95∶0.05,與設(shè)定的成分相符。
圖4 Ni0.95R0.05TiO3 樣品的EDS 分析結(jié)果Fig.4 EDS analysis results of Ni0.95R0.05TiO3 samples
圖5 所示為Ni1-xRxTiO3(R=Nd、Sm 和Eu,x=0、0.05 和0.1)樣品在室溫下的拉曼光譜,測試范圍為100~1 500 cm-1。對于鈦鐵礦型NiTiO3,氧原子以C1 對稱性位點(diǎn)與2 個Ti4+和2 個Ni2+形成四配位,對稱性分析表明,鈦鐵礦結(jié)構(gòu)理論上有10 個拉曼模式(5Ag+5Eg)[43-44]。由圖可知,所有樣品都產(chǎn)生了10 個拉曼峰,位于192.7、247.2、395.4、486.3和708.1 cm-1處的5 個拉曼峰(所有組分的平均值),歸屬于Ag對稱性;位于230.7、292.5、346.5、465.6和614.2 cm-1處的5 個拉曼峰,歸屬于Eg對稱性,與之前的研究結(jié)果一致[45]。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[46],100~200 cm-1和614.2 cm-1處觀察到的峰對應(yīng)于TiO6八面體結(jié)構(gòu)中的Ti—O 鍵伸縮振動,而486.3 cm-1和710.1 cm-1處的拉曼峰與Ni—O—Ti 和Ti—O—Ti鍵的振動有關(guān)。
圖5 Ni1-xRxTiO3 樣品的拉曼光譜Fig.5 Raman spectra of Ni1-xRxTiO3 samples
除Ni0.95Sm0.05TiO3樣品外,其他樣品在770.5 cm-1附近可觀察到一個弱峰,該峰不是NiTiO3的基本拉曼峰,而是由一小部分非晶相NiTiO3引起的[47]。對所有樣品在707.0 cm-1(平均值)附近觀察到的最強(qiáng)振動峰進(jìn)行進(jìn)一步分析。表2 所列為拉曼峰參數(shù),隨摻雜量x的增加,樣品峰位向低波數(shù)移動,強(qiáng)度變?nèi)?,半峰?full width at half maximum,FWHM)變小。由于Nd、Sm 和Eu 的4f 電子軌道具有較強(qiáng)的局域化特性,與周圍的電子和晶格發(fā)生相互作用。這種相互作用可能會改變NiTiO3中的電子態(tài)密度分布,進(jìn)而影響晶格振動模式的頻率和強(qiáng)度,導(dǎo)致拉曼峰向更低的波數(shù)移動[48]。而拉曼峰強(qiáng)度的降低與樣品的結(jié)晶度有關(guān),樣品的結(jié)晶度可以影響拉曼峰的強(qiáng)度,低結(jié)晶度的樣品可能存在更多的缺陷、雜相以及隨機(jī)排列的分子或晶格結(jié)構(gòu)。以上不規(guī)則性會導(dǎo)致振動能級的寬化和頻移,從而減弱拉曼信號的強(qiáng)度,使得拉曼峰變得更弱[49],與XRD 分析結(jié)果一致。
表2 NixR1-xTiO3 樣品707.0 cm-1 附近拉曼峰的參數(shù)Table 2 Parameters of Raman peak near 707.0 cm-1 of NixR1-xTiO3 samples
圖6(a)和(b)所示為Ni1-xRxTiO3(R=Nd、Sm 和Eu,x=0、0.05 和0.1)樣品的紫外可見漫反射吸收光譜。由圖可知,所有樣品的吸收峰基本相似,與Ni2+(3d8)八配體的特征吸收峰匹配[35]。200~365 nm的光吸收區(qū)域?qū)?yīng)O—Ti 鍵和O—Ni 鍵電荷轉(zhuǎn)移。在可見光區(qū)域,約450 nm 處出現(xiàn)較寬的吸收峰,對應(yīng)Ni2+(3d8離子)的3A2g(3F)→3T1g(3P)自旋容許躍遷。490~520 nm 附近觀察到的吸收肩峰,對應(yīng)1T2g(1D)和1A1g(1G)自旋禁阻躍遷。同時743 nm 附近的吸收峰對應(yīng)1Eg(1D)的自旋禁阻躍遷[50]。x=0.05和0.1 的Nd 摻雜樣品在588 nm 附近出現(xiàn)了清晰的吸收峰,且峰的強(qiáng)度增大。Nd 摻雜NiTiO3樣品的顏色為淡綠色,隨摻雜量的增加而變深。這可能是由于Nd3+在八面體位置的電子躍遷[51],減少了Ni2+(3A2g→3Tlg(F))躍遷的貢獻(xiàn)。
圖6 Ni1-xRxTiO3 樣品的紫外可見吸收光譜和帶隙圖Fig.6 UV-visible absorption spectra and bandgap diagrams of Ni1-xRxTiO3 samples
利用Tauc 公式得到圖6(c)和(d)所示的帶隙圖。
式中:α為吸收系數(shù),h為普朗克常數(shù),v為光的頻率,Eg為禁帶寬度,A為常數(shù)[52]。從圖可知,未摻雜NiTiO3樣品的禁帶寬度為2.75 eV,與NiTiO3的理論禁帶寬度相符[42]。摻雜樣品的禁帶寬度小于未摻雜樣品,在2.06~2.71 eV 之間,說明摻雜稀土元素能減小NiTiO3的禁帶寬度,這可能與摻雜引起的缺陷能級有關(guān),能級使電子在能帶之間躍遷,從而減小禁帶寬度。禁帶寬度的減小表明,相較于未摻雜樣品,摻雜樣品的可見光吸收能力有所提高。相比于TONG 等[53]采用鹽助自蔓延燃燒法制備的NiTiO3/TiO2復(fù)合材料(2.63 eV),Ni0.95Eu0.05TiO3、Ni0.9Eu0.1TiO3和Ni0.9Sm0.1TiO3樣品的性能提升更加明顯。高效可見光驅(qū)動的半導(dǎo)體光催化應(yīng)該具有足夠窄的帶隙,即 1.23 eV
圖7 所示為Ni1-xRxTiO3(R=Nd、Sm 和Eu,x=0、0.05 和0.1)樣品在室溫下的磁滯回線。由圖可知,樣品磁化強(qiáng)度隨著外加磁場強(qiáng)度的增加而增加,并且沒有達(dá)到飽和,這表明摻雜后的樣品均為反鐵磁材料[55]。文獻(xiàn)報(bào)道證實(shí)了NiTiO3的反鐵磁性[56],表明摻雜不會改變材料的反鐵磁性。表3 所列為由磁滯回線確定的磁性參數(shù)(矯頑力Hc和剩余磁化強(qiáng)度Mr)??梢钥闯?,摻雜樣品的磁性參數(shù)沒有明顯的規(guī)律,但磁化強(qiáng)度均呈3 個數(shù)量級減小,表明摻雜樣品磁性晶格的磁矩反向排列更規(guī)整,導(dǎo)致整體顯示的磁性更弱。
圖7 Ni1-xRxTiO3 樣品在室溫下的磁滯回線Fig.7 Magnetic hysteresis loops of Ni1-xRxTiO3 samples at room temperature
圖8 所示為200 Hz 下,Ni1-xRxTiO3(R=Nd、Sm和Eu,x=0、0.05 和0.1)樣品在室溫下的電滯回線。樣品的電滯回線都為閉合環(huán)狀,證實(shí)了樣品的鐵電性質(zhì),且環(huán)狀曲線隨摻雜元素種類和含量的變化而變化,然而電滯回線沒有隨外加電場強(qiáng)度的增加而達(dá)到飽和。通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)NiTiO3的鐵電性出現(xiàn)在亞穩(wěn)態(tài)的R3c 相中,而反鐵磁性則出現(xiàn)在NiTiO3的基態(tài)R-3 相中。由于R-3 相與R3c 相結(jié)構(gòu)相似,無法通過XRD 測試檢測,而同時存在鐵電和反鐵磁性證明樣品中同時存在R-3 和R3c 相[57]。
圖8 Ni1-xRxTiO3 樣品在室溫下的電滯回線Fig.8 Ferroelectric hysteresis loops of NixR1-xTiO3 samples at room temperature
表4 所列為Ni1-xRxTiO3(R=Nd、Sm 和Eu,x=0、0.05 和0.1)樣品室溫下的鐵電參數(shù)(矯頑電場Ec、最大極化強(qiáng)度Pmax、剩余極化強(qiáng)度Pr和Pr/Pmax)。在相同的測試條件下,除Ni0.95Eu0.05TiO3外,其他摻雜樣品的Pmax和Pr均高于未摻雜樣品。NiTiO3的鐵電性來源于其晶體結(jié)構(gòu)的對稱性破缺,NiTiO3晶體結(jié)構(gòu)屬于鈣鈦礦結(jié)構(gòu),其中Ni2+處于八面體配位環(huán)境中,而Ti4+處于四面體配位環(huán)境中,這種不同的配位環(huán)境導(dǎo)致了電偶極矩的出現(xiàn),使得NiTiO3表現(xiàn)出鐵電性。當(dāng)在Ni 位點(diǎn)摻雜稀土元素Nd、Sm和Eu 時,由于其離子半徑較大,會產(chǎn)生晶格畸變,提高鐵電疇的移動能力,使得樣品的鐵電性提高[58]。
表4 Ni1-xRxTiO3 樣品在室溫下的鐵電參數(shù)Table 4 Ferroelectric parameters of NixR1-xTiO3 samples at room temperature
1) 采用溶膠-凝膠法制備納米Ni1-xRxTiO3(R=Nd、Sm 和Eu,x=0、0.05 和0.1)粉末。所有樣品均為單一NiTiO3相,微觀形貌相似,出現(xiàn)輕微團(tuán)聚,晶粒尺寸在(21.3±0.1)~(38.5±0.2) nm 的范圍內(nèi)。隨摻雜量x增加,容差因子、晶格常數(shù)、結(jié)晶度和平均晶粒尺寸減小。Nd、Sm 和Eu 均以三價離子的形式摻雜到NiTiO3晶格中。
2) 所有樣品的吸收光譜中均存在與Ni2+(3d8離子)的3A2g(3F)→3T1g(3P)自旋容許躍遷以及1T2g(1D)、1A1g(1G) 和1Eg(1D)自旋禁阻躍遷有關(guān)的吸收峰。Nd摻雜樣品588 nm 附近出現(xiàn)與八面體位置Nd3+的電子躍遷有關(guān)的吸收峰,樣品從黃色變?yōu)榫G色。摻雜樣品的禁帶寬度比未摻雜樣品(2.75 eV)小,且隨摻雜量的增加而減小。
3) 樣品均在室溫下表現(xiàn)出鐵電性和反鐵磁性。除Ni0.95Eu0.05TiO3外,摻雜樣品的鐵電性均優(yōu)于未摻雜樣品。