本發(fā)明涉及一種鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結的制備方法，屬于功能材料制備領域。

背景技術：

隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，本著對大容量、高速度、低損耗等更佳性能的追求，人們對器件的集成化和小型化提出了越來越高的要求。在這個背景下，多鐵性材料作為一種新型的功能材料吸引了科研工作者的廣泛關注。由于鐵彈性一般伴隨著鐵電性的出現(xiàn)，因此通常將鐵彈性略之不提。在多鐵性材料中，磁電材料是其中一類最典型的代表，這種材料不僅同時具有鐵電、(反)鐵磁性，而且還具有由于磁電耦合作用導致的一種新穎的物理性質—磁電效應。

在眾多磁電材料中，鐵酸鉍(BiFeO₃)單相材料因其鐵電轉變溫度和磁有序溫度都在室溫以上而顯得尤為珍貴，得到了科研工作者的廣泛關注和研究。但同時鐵酸鉍存在純相材料制備困難、高漏導以及弱鐵磁性等問題。近年來，人們嘗試通過各種途徑來制得純相鐵酸鉍材料以及提高其磁性。不同于通常制備鐵酸鉍薄膜所采用的PLD等物理沉積方法，本發(fā)明采用水熱法制備鐵酸鉍薄膜。水熱法可以在較低的溫度下實現(xiàn)保持鐵酸鉍化學計量的合成。同時，由于反應環(huán)境為液相，十分有利于結晶反應的均勻成核和擴散，且產(chǎn)物結晶性能良好。在這種制備方法中，引入鈦酸鉛(PbTiO₃)鐵電基板，通過鐵電極化產(chǎn)生的靜電力以及異質形核的共同作用調(diào)控鐵酸鉍晶體的生長。因此通過此制備方法，在水熱環(huán)境中可以制備出具備高質量界面的鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結，并且表現(xiàn)出典型的鐵磁性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種低成本，工藝簡單，過程易于控制的鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結的制備方法，獲得高質量的異質結界面，并且樣品表現(xiàn)出典型的鐵磁性。

本發(fā)明的鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結的制備方法，包括以下步驟：

1)按摩爾比1:1計量稱取九水合硝酸鐵和五水合硝酸鉍，溶解于去離子水中，充分攪拌，得到含有鐵和鉍的金屬鹽溶液；

2)在攪拌狀態(tài)下，向步驟1)制得的含有鐵和鉍的金屬鹽溶液中加入氫氧化鉀水溶液，攪拌2～3h，得到鐵和鉍的氫氧化物懸濁液；

3)在攪拌狀態(tài)下，將PbTiO₃納米片加入步驟2)制得的鐵和鉍的氫氧化物懸濁液，攪拌1～1.5h，得到含有鐵、鉍和鈦酸鉛納米片的黃色懸濁液；

4)將步驟3)制得的含有鐵、鉍和鈦酸鉛納米片的黃色懸濁液加入到反應釜內(nèi)膽中，用去離子水調(diào)節(jié)反應釜內(nèi)膽中的反應物料體積達到反應釜內(nèi)膽容積的80％，攪拌至少5min，獲得前驅體漿料，其中鐵和鉍的氫氧化物摩爾濃度均為0.015～0.025mol/L，氫氧化鉀摩爾濃度為4mol/L，鐵和鉛的摩爾比為0.075～0.125，摩爾濃度的體積基數(shù)為前驅體漿料的總體積；

5)將步驟4)配置有反應物料的反應釜內(nèi)膽置于反應釜中，密封，在140～200℃下保存45min～12h進行水熱處理，然后讓反應釜自然冷卻到室溫，卸釜后，用去離子水和無水乙醇反復洗滌反應產(chǎn)物，過濾，烘干，制得鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結。

本發(fā)明制備過程中，使用的反應釜為聚四氟乙烯內(nèi)膽，不銹鋼套件密閉的反應釜。

本發(fā)明制備過程中，使用的九水合硝酸鐵、五水合硝酸鉍和氫氧化鉀的純度都不低于化學純。

本發(fā)明制備過程中，使用的鈦酸鉛為單晶單疇結構的納米片，具有規(guī)則的矩形形貌，橫向尺寸為600～1100nm，厚度為120～180nm。該種鈦酸鉛納米片的制備方法可參考專利ZL201210036177.8——鈣鈦礦鈦酸鉛單晶納米片的制備方法。

本發(fā)明制備過程中，制得的鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結中鐵酸鉍薄膜的厚度為15～30nm。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明在鐵和鉍摩爾濃度比為1：1的條件下，通過調(diào)節(jié)一些水熱反應參數(shù)制備了一種具有高質量界面的鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結。本發(fā)明工藝過程簡單，易于控制，無污染，成本低，易于生產(chǎn)。不同于塊體鐵酸鉍的極弱鐵磁性，合成的鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結在室溫下表現(xiàn)出典型的鐵磁性，并且實現(xiàn)了磁電耦合。

附圖說明

圖1(a)是本發(fā)明實施例2、(b)實施例3制備的鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結的X射線衍射(XRD)圖譜；

圖2是本發(fā)明實施例2制備的鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片；

圖3是本發(fā)明實施例2制備的鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結截面結構的掃描透射電子顯微鏡(STEM)圖片；

圖4是本發(fā)明實施例2制備的鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結的M-H磁滯回線。

具體實施方式

以下結合實施例進一步說明本發(fā)明。

實施例1

1)按摩爾比1:1計量稱取九水合硝酸鐵和五水合硝酸鉍，溶解于去離子水中，充分攪拌，得到含有鐵和鉍的金屬鹽溶液；

2)在攪拌狀態(tài)下，向步驟1)制得的含有鐵和鉍的金屬鹽溶液中加入氫氧化鉀水溶液，攪拌2h，得到鐵和鉍的氫氧化物懸濁液；

3)在攪拌狀態(tài)下，將PbTiO₃納米片加入步驟2)制得的鐵和鉍的氫氧化物懸濁液，攪拌1h，得到含有鐵、鉍和鈦酸鉛納米片的黃色懸濁液；

4)將步驟3)制得的含有鐵、鉍和鈦酸鉛納米片的黃色懸濁液加入到反應釜內(nèi)膽中，用去離子水調(diào)節(jié)反應釜內(nèi)膽中的反應物料體積達到反應釜內(nèi)膽容積的80％，攪拌5min，獲得前驅體漿料，其中鐵和鉍的氫氧化物摩爾濃度均為0.015mol/L，氫氧化鉀摩爾濃度為4mol/L，鐵和鉛的摩爾比為0.075，摩爾濃度的體積基數(shù)為前驅體漿料的總體積；

5)將步驟4)配置有反應物料的反應釜內(nèi)膽置于反應釜中，密封，在200℃下保存2h進行水熱處理，然后讓反應釜自然冷卻到室溫，卸釜后，用去離子水和無水乙醇反復洗滌反應產(chǎn)物，過濾，烘干，制得鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結。實施例2

1)按摩爾比1:1計量稱取九水合硝酸鐵和五水合硝酸鉍，溶解于去離子水中，充分攪拌，得到含有鐵和鉍的金屬鹽溶液；

2)在攪拌狀態(tài)下，向步驟1)制得的含有鐵和鉍的金屬鹽溶液中加入氫氧化鉀水溶液，攪拌2h，得到鐵和鉍的氫氧化物懸濁液；

3)在攪拌狀態(tài)下，將PbTiO₃納米片加入步驟2)制得的鐵和鉍的氫氧化物懸濁液，攪拌1h，得到含有鐵、鉍和鈦酸鉛納米片的黃色懸濁液；

4)將步驟3)制得的含有鐵、鉍和鈦酸鉛納米片的黃色懸濁液加入到反應釜內(nèi)膽中，用去離子水調(diào)節(jié)反應釜內(nèi)膽中的反應物料體積達到反應釜內(nèi)膽容積的80％，攪拌5min，獲得前驅體漿料，其中鐵和鉍的氫氧化物摩爾濃度均為0.02mol/L，氫氧化鉀摩爾濃度為4mol/L，鐵和鉛的摩爾比為0.1，摩爾濃度的體積基數(shù)為前驅體漿料的總體積；

5)將步驟4)配置有反應物料的反應釜內(nèi)膽置于反應釜中，密封，在200℃下保存2h進行水熱處理，然后讓反應釜自然冷卻到室溫，卸釜后，用去離子水和無水乙醇反復洗滌反應產(chǎn)物，過濾，烘干，制得鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結。實施例3

1)按摩爾比1:1計量稱取九水合硝酸鐵和五水合硝酸鉍，溶解于去離子水中，充分攪拌，得到含有鐵和鉍的金屬鹽溶液；

2)在攪拌狀態(tài)下，向步驟1)制得的含有鐵和鉍的金屬鹽溶液中加入氫氧化鉀水溶液，攪拌3h，得到鐵和鉍的氫氧化物懸濁液；

3)在攪拌狀態(tài)下，將PbTiO₃納米片加入步驟2)制得的鐵和鉍的氫氧化物懸濁液，攪拌1.5h，得到含有鐵、鉍和鈦酸鉛納米片的黃色懸濁液；

4)將步驟3)制得的含有鐵、鉍和鈦酸鉛納米片的黃色懸濁液加入到反應釜內(nèi)膽中，用去離子水調(diào)節(jié)反應釜內(nèi)膽中的反應物料體積達到反應釜內(nèi)膽容積的80％，攪拌10min，獲得前驅體漿料，其中鐵和鉍的氫氧化物摩爾濃度均為0.025mol/L，氫氧化鉀摩爾濃度為4mol/L，鐵和鉛的摩爾比為0.125，摩爾濃度的體積基數(shù)為前驅體漿料的總體積；

5)將步驟4)配置有反應物料的反應釜內(nèi)膽置于反應釜中，密封，在200℃下保存12h進行水熱處理，然后讓反應釜自然冷卻到室溫，卸釜后，用去離子水和無水乙醇反復洗滌反應產(chǎn)物，過濾，烘干，制得鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結。

從圖3可以看出，鐵酸鉍選擇性生長在鈦酸鉛的單極化面上，形成了具有高質量界面的鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結，鐵酸鉍厚度為15～30nm。從圖4中可以看出，不同于塊體鐵酸鉍的極弱鐵磁性，合成的鐵酸鉍/鈦酸鉛單晶異質結在室溫下表現(xiàn)出典型的鐵磁性。