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B位掺杂对层状钙钛矿多铁材料性能的影响及机制探究

一、绪论

1.1多铁性材料概述

多铁性材料，作为材料科学与凝聚态物理领域的研究焦点，指的是在同一相中同时具备两种或两种以上铁的基本性能的材料，这些性能主要涵盖铁电性（反铁电性）、铁磁性（反铁磁性、亚铁磁性）和铁弹性。1994年，瑞士学者Schmid明确提出这一概念，多铁性材料在一定温度下，自发极化与自发磁化现象并存，由此引发的磁电耦合效应，赋予了这类材料独特的物理性质，开启了一系列新奇物理现象的研究大门。

从本质上讲，铁电性源于材料中存在的自发极化，且这种极化方向可通过外加电场进行反转；铁磁性则是材料具备自发磁化的能力，其磁化方向能受外加磁场调控；铁弹性表现为材料在应力作用下，自发应变方向发生改变。当这些特性汇聚于一种材料时，多铁性材料便呈现出丰富而独特的物理行为。其中，磁电耦合效应是多铁性材料的核心特性，通过这一效应，电场能够对材料的磁学性质进行调制，反之，磁场也可改变材料的电极化性质。这种磁电之间的相互作用，突破了传统材料中电与磁相互独立的局限，为材料性能的调控和新型器件的研发开辟了新路径。

多铁性材料的研究，具有极其重要的科学意义和应用价值，在凝聚态物理领域，它为探索物质的基本性质和相互作用提供了全新的研究体系。材料中不同铁性的共存与耦合，涉及电荷、自旋、轨道和晶格等多个凝聚态物理的关键范畴，深入研究多铁性材料，有助于揭示这些微观层面的相互作用机制，深化对物质本质的认识，推动凝聚态物理理论的发展。在材料科学领域，多铁性材料的出现，为材料设计和性能优化提供了新的思路。传统材料往往只能单一地展现铁电性或铁磁性，而多铁性材料集成多种铁性于一身，为开发多功能、高性能的材料提供了可能。通过对多铁性材料的研究，可以探索如何通过材料结构设计、元素掺杂等手段，实现对材料性能的精准调控，从而开发出具有优异性能的新型材料，满足不同领域对材料性能的多样化需求。

1.2层状钙钛矿多铁材料

1.2.1结构特点

层状钙钛矿多铁材料的晶体结构呈现出独特的层状特征，其基本结构单元由铋氧层(Bi_2O_2)^{2+}与类钙钛矿层(A_{m-1}B_mO_{3m+1})^{2-}沿着晶轴c方向交替堆叠而成。在这种结构中，铋氧层起着至关重要的作用，其具备空间电荷库和绝缘层的双重功能。从空间电荷库的角度来看，铋氧层能够容纳和调节材料内部的电荷分布，有效减少电荷的无序运动，从而降低多铁材料的电导；作为绝缘层，铋氧层可以阻止电子的直接传输，进一步抑制漏流现象，使得材料在呈现磁性的同时，能够保持良好的铁电性。这种结构特性，使得层状钙钛矿多铁材料在室温以上具备较为稳定的电学性能。

以典型的四层铋系钙钛矿多铁材料Bi_5Ti_3FeO_{15}（BFTO）为例，每个类钙钛矿层中包含四个氧八面体BO_6，其中一个Fe^{3+}和三个Ti^{4+}分别占据氧八面体的中心位置，不过FeO_6和TiO_6八面体的相对位置存在一定的不确定性。这种原子排列方式，不仅影响了材料的晶体结构稳定性，还对材料的电学、磁学等物理性能产生深远影响。不同离子在氧八面体中的占位情况，会改变离子间的相互作用，进而影响电子云的分布和电子的运动状态，最终反映在材料的宏观性能上。

1.2.2基本性能

从铁电性能方面分析，层状钙钛矿多铁材料展现出一定程度的自发极化特性，部分材料还具备较大的自发极化强度以及相对较高的居里温度。以铋系层状钙钛矿结构的材料为例，其内部的铋氧层结构有助于增强铁电极化，使得材料在一定温度范围内能够保持稳定的铁电性能。在电场作用下，材料的铁电极化方向能够发生反转，表现出典型的铁电滞回行为，这一特性使得层状钙钛矿多铁材料在铁电存储、传感器等领域具有潜在的应用价值。在铁电存储器件中，利用材料的铁电滞回特性，可以实现信息的写入、存储和读取；在传感器应用中，通过检测材料铁电性能的变化，能够感知外界环境的物理量变化，如压力、温度等。

在铁磁性能方面，这类材料在室温下一般呈现出弱磁性，其磁性来源主要与材料中的过渡金属离子（如Fe^{3+}等）的自旋相互作用相关。然而，相较于传统的强磁性材料，层状钙钛矿多铁材料的磁性能相对较弱，难以满足一些对磁性要求较高的应用场景。为了提升其磁性能，目前研究主要集中在通过元素掺杂、改变制备工艺等手段，来优化材料内部的自旋结构，增强磁性相互作用。例如，通过在B位掺杂磁性离子，可以改变材料的电子结构和自旋状态，进而提高材料的磁性能。

尽管层状钙钛矿多铁材料在铁电和铁磁性能方面表现出一定的特性，但在室温下，其综合性能仍存在一些缺陷。室温下较弱的磁性能限制了其在磁学相关领域的广泛应用，在需要高磁导率、高饱和磁化强度的电磁器件中，层状钙钛矿多铁材料难以满足要求；材料内部的漏电流