Abstract We report the effects of the Sr2+ and Ni2+ co-doping of BiFeO3 on the crystal structure and multiferroic properties of Bi1−xSrxFe1-yNiyO3 (x = 0.05, 0.0 ≤ y ≤ 0.10, and Δy = 0.05) that is synthesized using assisted high-energy ball milling. The mixtures of Bi2O3, Fe2O3, SrO and NiO were milled for 5 h, pressed at 900 MPa, and sintered at 800 °C in order to obtain cylindrical test pieces. X-ray diffraction and Rietveld refinement elucidated the effects of Sr2+ and Ni2+ on the crystal structure. Co-doping with Sr Ni in suitable proportions stabilizes rhombohedral BiFeO3. High contents of Ni2+ promote the precipitation of secondary phases in the forms of NiFe2O4 and Bi25FeO40. The magnetic behavior was examined by means of vibrating sample magnetometry. The results showed a change in the magnetic order from antiferromagnetic for the undoped sample to the ferromagnetic order for the co-doped samples. This change is attributed to the modulations in the magnetic moment due to crystal structure distortions. All samples show high relative permittivity values, which were enhanced by doping with Sr2+. Ni2+ cations increase the dielectric dissipation factor; this enhancement is related to their interactions with cations of a different oxidation state, such as Fe3+, Fe2+, Ni2+, Bi3+ and Sr2+ in the crystal structure of BiFeO3. The magnetoelectric coupling that was evaluated using magnetodielectric measurements was above 4% at 1 kHz for the higher applied magnetic field of 18 kOe.

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锶和镍共掺杂在多铁性 BiFeO3 中的磁电耦合

摘要 我们报告了 BiFeO3 的 Sr2+ 和 Ni2+ 共掺杂对 Bi1−xSrxFe1-yNiyO3 (x = 0.05, 0.0 ≤ y ≤ 0.10, and Δy = 0.05) 的晶体结构和多铁性的影响-能量球磨。将 Bi2O3、Fe2O3、SrO 和 NiO 的混合物研磨 5 小时，在 900 MPa 下压制，并在 800 °C 下烧结以获得圆柱形试件。X 射线衍射和 Rietveld 精修阐明了 Sr2+ 和 Ni2+ 对晶体结构的影响。以合适的比例与 Sr Ni 共掺杂可稳定菱形 BiFeO3。高含量的 Ni2+ 会促进二次相以 NiFe2O4 和 Bi25FeO40 的形式析出。通过振动样品磁力测定法检查磁性行为。结果显示磁序从未掺杂样品的反铁磁到共掺杂样品的铁磁序发生了变化。这种变化归因于由于晶体结构畸变引起的磁矩调制。所有样品都显示出较高的相对介电常数值，通过掺杂 Sr2+ 可以增强该值。Ni2+ 阳离子增加介电损耗因数；这种增强与它们与不同氧化态阳离子的相互作用有关，例如 BiFeO3 晶体结构中的 Fe3+、Fe2+、Ni2+、Bi3+ 和 Sr2+。对于 18 kOe 的较高外加磁场，使用磁介电测量评估的磁电耦合在 1 kHz 时高于 4%。这种变化归因于由于晶体结构畸变引起的磁矩调制。所有样品都显示出较高的相对介电常数值，通过掺杂 Sr2+ 可以增强该值。Ni2+ 阳离子增加介电损耗因数；这种增强与它们与不同氧化态阳离子的相互作用有关，例如 BiFeO3 晶体结构中的 Fe3+、Fe2+、Ni2+、Bi3+ 和 Sr2+。对于 18 kOe 的较高外加磁场，使用磁介电测量评估的磁电耦合在 1 kHz 时高于 4%。这种变化归因于由于晶体结构畸变引起的磁矩调制。所有样品都显示出较高的相对介电常数值，通过掺杂 Sr2+ 可以增强该值。Ni2+ 阳离子增加介电损耗因数；这种增强与它们与不同氧化态阳离子的相互作用有关，例如 BiFeO3 晶体结构中的 Fe3+、Fe2+、Ni2+、Bi3+ 和 Sr2+。对于 18 kOe 的较高外加磁场，使用磁介电测量评估的磁电耦合在 1 kHz 时高于 4%。这种增强与它们与不同氧化态阳离子的相互作用有关，例如 BiFeO3 晶体结构中的 Fe3+、Fe2+、Ni2+、Bi3+ 和 Sr2+。对于 18 kOe 的较高外加磁场，使用磁介电测量评估的磁电耦合在 1 kHz 时高于 4%。这种增强与它们与不同氧化态阳离子的相互作用有关，例如 BiFeO3 晶体结构中的 Fe3+、Fe2+、Ni2+、Bi3+ 和 Sr2+。对于 18 kOe 的较高外加磁场，使用磁介电测量评估的磁电耦合在 1 kHz 时高于 4%。