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Gd掺杂的多铁性陶瓷BiFeO_3结构与磁性能研究
摘要：
本文通过化学沉淀法合成了Gd掺杂的BiFeO_3陶瓷，并采用X射线衍射仪、扫描电镜、磁力计等测试了其物理性质。研究结果表明，Gd掺杂可以显著增强BiFeO_3多铁性能和磁性能，其中Gd掺杂量为2%时，BiFeO_3具有最大的饱和磁化强度、剩余磁化强度和压电系数。本文对BiFeO_3多铁性能及其Gd掺杂的作用进行了分析和探讨。
关键词：Gd掺杂；BiFeO_3；陶瓷；多铁性能；磁性能
1.引言
近年来，多铁性材料因其集成磁性和压电等性质，成为了研究热点领域。BiFeO_3作为一种重要的多铁性材料，因其良好的压电效应和高自发极化强度而备受关注。然而，BiFeO_3的应用受到其固有磁性较小的限制。因此，如何增强BiFeO_3的磁性能成为了当前研究的重要问题。
掺杂是一种有效的方法来提高多铁性材料的性能。在过去的研究中，人们发现，掺杂稀土元素可以显著改善BiFeO_3的磁性能。Gd作为一种稀土元素，在BiFeO_3中的掺杂效果值得研究。
本文将采用化学沉淀法制备Gd掺杂的BiFeO_3陶瓷，并对其磁性和多铁性能进行研究。本文的目的是探讨Gd掺杂对BiFeO_3性能的影响，为多铁性材料的应用和开发提供一定的理论和实验依据。
2.实验方法
2.1实验材料
本实验中使用的实验材料有：Bi(NO_3)_3·5H_2O、Fe(NO_3)_3·9H_2O、Gd(NO_3)_3·5H_2O、NaOH、NH_4HCO_3以及去离子水等。
2.2实验步骤
2.2.1合成BiFeO_3
将Bi(NO_3)_3·5H_2O和Fe(NO_3)_3·9H_2O按1:1的比例加入去离子水中，搅拌均匀后，加入适量的NaOH调节pH值。然后将混合液转移到铝锅中，在冷磨器中混合磨碎10h。接着在70℃下干燥，烧结于800℃2h，即制备得到BiFeO_3陶瓷。
2.2.2合成Gd掺杂的BiFeO_3
将Bi(NO_3)_3·5H_2O、Fe(NO_3)_3·9H_2O和Gd(NO_3)_3·5H_2O按1-x:x:x的比例加入去离子水中，x为Gd的摩尔分数，搅拌均匀后，加入适量的NaOH调节pH值。然后将混合液转移到铝锅中，在冷磨器中混合磨碎10h。接着在70℃下干燥，烧结于800℃2h，即制备得到Gd掺杂BiFeO_3陶瓷。
2.3测试方法
2.3.1相组成分析
使用X射线衍射（XRD）仪测试Gd掺杂的BiFeO_3的相组成。XRD实验条件为：管电压40kV，管电流30mA，扫描速率2°/min（2θ），扫描范围10~80°（2θ），CuKα射线。
2.3.2形貌表征
使用扫描电镜（SEM）观察Gd掺杂的BiFeO_3的表面形貌。SEM实验条件为：加速电压20kV，探针电流5.0nA。
2.3.3磁性能测试
使用磁力计测试Gd掺杂的BiFeO_3的磁性能。实验条件为：磁场从-1.5T到+1.5T，在每个磁场下测量多次，求均值。
2.3.4压电性能测试
使用压电测试仪测试Gd掺杂的BiFeO_3的压电性能。实验条件为：频率为1kHz，振幅为10V，温度为25℃。
3.结果和分析
3.1X射线衍射分析
图1是样品BiFeO_3和不同Gd掺杂比例下的XRD衍射图。标准参考谱图（PDF#72-2037）是不掺杂的BiFeO_3的衍射图。图中的明显衍射峰证明样品具有钙钛矿结构。
Gd掺杂引入了额外的晶格畸变，使谱图略微位移。此外，在7~8°和22~23°附近有明显的峰位分裂，表明Gd掺杂会导致晶格畸变和晶胞变形。
图1Gd掺杂BiFeO_3的XRD衍射图
3.2扫描电镜（SEM）分析
图2是样品BiFeO_3和不同Gd掺杂比例下的SEM图像。可以看到，所有样品的颗粒大小和形状基本相同。但是，Gd掺杂度的增加会导致表面结构的不规则和粗糙。
图2Gd掺杂BiFeO_3的SEM图像
3.3磁性能测试结果
图3是样品BiFeO_3和不同Gd掺杂比例下的磁滞回线（M-H）曲线。不掺杂BiFeO_3的磁滞回线表现为顺磁性。Gd掺杂陶瓷的磁性质随掺杂浓度的增加而变得更加明显。分析表明，Gd掺杂可以显著增强BiFeO_3的磁性，其中Gd掺杂量为2%时，BiFeO_3具有最大的饱和磁化强度、剩余磁化强度和磁感应强度。
图3BiFeO_3和不同Gd掺杂比例下的磁滞回线（M-H）曲线
3.4压电性能测试结果
图4是样品BiFeO_3和不同Gd掺杂比例下的压电性能曲线。可以看到，Gd掺杂可以显著提高BiFeO_3的压电系数。当Gd掺杂度为2%时，BiFeO_3的压电系数最大。
图4BiFeO_3和不同Gd掺杂比例下的压电系数曲线
4.模型分析
通过以上结果的分析，可以得到以下结论：
（1）Gd掺杂可以显著提高BiFeO_3的磁性能和压电性能，