铁氧体-双钙钛矿的结构、介电、光学与磁学特性及其潜在工业应用研究

研究人员针对BiFeO3基材料漏电流高、性能不稳定等问题，通过固相合成法制备了Bi0.5Ca1.5Fe0.5Zr1.5O6（BCFZO）双钙钛矿陶瓷。XRD和SEM证实其单斜相结构和42.068 μm平均粒径，介电测试显示εr=2012.54（100 Hz）的低损耗特性，光学带隙2.61 eV表明其光催化潜力，磁学分析揭示超交换相互作用主导的反铁磁性。该材料在多层电容器、NTC热敏电阻及磁存储器件中具应用前景。

　　

在当今材料科学领域，多铁性材料的开发因其在信息存储、传感器和能源转换等领域的潜在应用而备受关注。其中，BiFeO₃（BFO）作为典型的室温多铁性材料，因其同时具备铁电性和反铁磁性而成为研究热点。然而，BFO在实际应用中面临两大挑战：Bi³⁺离子的挥发性导致的高漏电流，以及单一功能难以满足复杂应用场景的需求。这些问题严重制约了BFO基材料在工业领域的推广应用。

为突破这些限制，来自国内 Siksha 'O' Anusandhan（被视为大学）工程学院物理系的研究团队创新性地设计了一种双钙钛矿材料Bi_0.5Ca_1.5Fe_0.5Zr_1.5O₆（BCFZO）。通过Ca²⁺和Zr⁴⁺的协同掺杂，研究人员成功调控了材料的晶体结构和性能。这项发表在《RSC Advances》的研究，不仅解决了传统BFO的缺陷问题，更开发出一种兼具优异介电、光学和磁学性能的新型多功能材料。

研究团队采用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和紫外-可见漫反射光谱（DRS）等表征技术，结合阻抗分析和磁学测量，系统研究了材料的性能。关键实验还包括利用LCR meter进行介电测试，以及通过SQUID-VSM测量磁滞回线。

结构分析

XRD精修确认材料具有Pcmn空间群的斜方晶系结构，威廉姆森-霍尔曲线计算显示209.52 nm的晶粒尺寸和0.000432的晶格应变。FESEM图像显示均匀分布的致密晶粒，EDS证实了元素组成的纯度。

光学特性

通过Tauc图计算得到2.61 eV的直接带隙，DRS分析结果（2.69 eV）与之吻合。2.51的折射指数表明其在光子纳米喷射器件中的应用潜力。

介电性能

在100 Hz频率下获得ε_r=2012.54的高介电常数和tan δ=0.99521的低损耗。温度依赖性研究表明氧空位和电荷缺陷对性能的显著影响。

阻抗与电导机制

Nyquist图显示非德拜型弛豫过程，Jonscher幂律分析揭示重叠大极化子隧穿（OLPT）主导的传导机制。两个活化能区域（0.04217 eV和0.1875 eV）分别对应不同温度区间的电荷传输行为。

磁学性能

M-H回线证实反铁磁特性，Grossinger模型拟合得到4.37×10^-4 emu/g的饱和磁化强度。Fe³⁺-O-Zr⁴⁺超交换相互作用是磁性能的主要来源。

热敏特性

电阻随温度升高而降低的NTCR特性，以及高达11,195.18的热敏常数，表明其作为NTC热敏电阻的优异性能。

这项研究的重要意义在于：首先，通过双位点掺杂策略，同时解决了BFO材料的漏电流和功能单一问题；其次，开发的BCFZO材料集高介电常数、适宜带隙和可控磁性于一体，为多功能器件的设计提供了新材料选择；最后，研究揭示的OLPT传导机制和超交换相互作用为类似材料的性能调控提供了理论指导。从应用角度看，该材料在多层陶瓷电容器、光催化器件、磁存储设备和温度传感器等领域展现出广阔的应用前景，为下一代多功能电子器件的开发奠定了材料基础。