實驗樣品特性

Bi1-xDyxFeO3（x = 0.00、0.05、0.10、0.15、0.20、0.30、0.40）

奈米顆粒多晶塊材樣品由湯詠秀學姐於臺大凝態中心林昭吟博士指 導下製作提供，並於凝態中心進行場發射電子顯微鏡（FESEM）觀 測、 x 光繞射實驗、磁性量測及介電分析。

4-1 樣品製程

Bi1-xDyxFeO3（x = 0.00、0.05、0.10、0.15、0.20、0.30、0.40）

奈米顆粒多晶塊材樣品的製程為溶膠凝膠法（sol – gel method）。

實驗以硝酸鉍

（Bi（NO

）

‧5H

O）

Fe（NO

）

‧9H

O

檸檬酸（

COOHCH

C（OH） （COOH）CH

COOH‧H

O

C

H

O

持續攪拌澄清液並加溫至 50 ~ 60 ℃，以避免沉澱，同時得到均相混 合物，升溫至 80 ~ 90 ℃，當水蒸發後可得棕色之凝膠。將凝膠置於 120 ℃ 烤爐中乾燥，乾燥之粉末經過研磨並於 550 ℃ 大氣下鍛燒 一小時。為了驅除雜項，將鍛燒過之粉末淋溶於 0.5 M 硝酸之中，而 淋溶過的粉末再次以 120 ℃爐中進行三小時的乾燥。最後，粉末被 壓製成碇並於 550 ℃ 的溫度下進行一小時的燒結後完成，其製程如 圖 4.1.1 所示[25]。

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4-2 樣品物性

圖 4.2.1 ~ 圖 4.2.7 為 Bi1-xDyxFeO3 奈米顆粒多晶塊材樣品之電 子顯微鏡照片，觀察圖中得知，樣品顆粒依大小可分為三個部分：（i）

x = 0 ~ 0.10，顆粒大小約為 250 nm ~ 100 nm；（ii）x = 0.15 ~ 0.30，

顆粒大小約為 60 nm ~ 50 nm；（iii）x = 0.40，顆粒大小約為 20 nm；

可發現隨鏑離子的摻雜，樣品顆粒明顯得變小。

圖 4.2.8 為 Bi1-xDyxFeO3 奈米顆粒多晶塊材樣品的 x 光繞射實 驗圖。繞射峰於低摻雜（0 ≦ x ≦ 0.05）對照於菱形晶系結構，高 摻雜（0.30 ≦ x ≦ 0.40）則對照於正交晶系，由 x 光繞射圖知 Bi1-xDyxFeO3 奈米顆粒多晶塊材樣品並沒有雜項的存在。x 光繞射局 部放大圖（圖 4.2.9）顯現隨摻雜鏑離子濃度的增加，繞射峰由 012

（菱形晶系）移到 101（正交晶系）繞射峰，並且當 x ≧ 0.15 有 新的 111 繞射峰（正交晶系）出現，顯現從 x = 0.10 開始發生結構 的相轉變，由菱形晶系（x ≦ 0.10）轉變為正交晶系（x ≧ 0.20），

空間群由 R3c （0 ≦ x ≦ 0.05）轉為 pnma （0.20 ≦ x ≦ 0.40）

[25]。晶格參數見表 4.2.1，其中 0.15 ≦ x ≦ 0.20 為難以區分的 混合結構。參數表顯現摻雜鏑離子濃度增加鍵結角度，表示摻雜造成 結構明顯的改變。

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圖 4.2.10 為 Bi1-xDyxFeO3 奈米顆粒多晶樣品室溫介電常數隨頻 率變化圖，由圖中知在 1 ~ 1000 kHz 的範圍下介電常數近似於一定 值。介電常數在高摻雜濃度（x = 0.30、x = 0.40）的驟降（見圖 4.2.11），

我們推測其與奈米級尺寸顆粒及菱形晶系完全轉變為正交晶系（x ≧ 0.20）的共同影響有所關聯性。圖 4.2.12 為介電損失對頻率變化圖，

不隨頻率變化的介電常數和低介電損失（tan ＜ 0.03）代表電子侷 限比電荷缺陷的貢獻大。

圖 4.2.13 為 Bi1-xDyxFeO3 奈米顆粒多晶樣品室溫磁滯曲線圖，

其最大外加磁場為 ± 20 kOe。x = 0.00、0.05、0.10、0.15、0.20、0.30 及 0.40 每單位晶格的磁矩分別為 0.01、0.1224、0.0554、0.0794、0.0799、

0.0793 和 0.2247 B。x = 0.40 磁化率約三倍於 x = 0.30，我們認為 Bi0.60Dy0.40FeO3 樣品的平均顆粒尺寸小於螺旋自旋結構的波長（~ 62 nm[58,59]），導致不同程度的自旋結構破壞。

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表 4.2.1 Bi1-xDyxFeO3（x = 0.00 ~ 0.10、0.30 ~ 0.40）晶格參數表 [25]。

x 0.00 0.05 0.10 0.30 0.40

a （Å） 5.61 5.61 5.57 5.61 5.59

b （Å） 5.61 5.61 5.57 7.75 7.69

c （Å） 5.61 5.61 5.57 5.39 5.36

 （deg） 59.36 59.43 59.74 90 90

 （deg） 59.36 59.43 59.74 90 90

 （deg） 59.36 59.43 59.74 90 90

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圖 4.1.1 Bi1-xDyxFeO3 奈米顆粒多晶塊材溶膠凝膠法製作流程 [25]。

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圖 4.2.1 BiFeO3 奈米顆粒之電子顯微鏡照片[25]。

圖 4.2.2 Bi0.95Dy0.05FeO3 奈米顆粒之電子顯微鏡照片[25]。

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圖 4.2.3 Bi0.90Dy0.10FeO3 奈米顆粒之電子顯微鏡照片[25]。

圖 4.2.4 Bi0.85Dy0.15FeO3 奈米顆粒之電子顯微鏡照片[25]。

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圖 4.2.5 Bi0.80Dy0.20FeO3 奈米顆粒之電子顯微鏡照片[25]。

圖 4.2.6 Bi0.70Dy0.30FeO3 奈米顆粒之電子顯微鏡照片[25]。

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圖 4.2.7 Bi0.60Dy0.40FeO3 奈米顆粒之電子顯微鏡照片[25]。

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圖 4.2.10 Bi1-xDyxFeO3 奈米顆粒室溫介電常數隨頻率變化圖[25]。

圖 4.2.11 Bi1-xDyxFeO3 奈米顆粒於 1 MHz 的室溫介電常數變化 [25]。

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圖 4.2.12 Bi1-xDyxFeO3 奈米顆粒多晶樣品介電損失對頻率變化圖 [25]。

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圖 4.2.13 Bi1-xDyxFeO3 奈米顆粒多晶樣品室溫磁滯曲線圖[25]。

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