铁酸铋陶瓷与纳米线：制备工艺、异价掺杂及物性调控研究.docxVIP

铁酸铋陶瓷与纳米线：制备工艺、异价掺杂及物性调控研究

一、引言

1.1研究背景与意义

多铁材料，作为一类在同一相中同时展现出铁电性、铁磁性、铁弹性等多种铁性的新型复合材料，近年来在科学研究和实际应用领域均引发了广泛关注。这类材料独特的物理性质，如显著的磁电耦合效应、高效的磁电转换效率等，使其在能源、信息、环境等诸多领域展现出巨大的应用潜力。对多铁材料的深入研究，不仅能够推动相关领域的科技进步，还对我国在新材料领域的自主研发和产业升级具有重要意义。多铁材料的研究历史可以追溯到上世纪，然而，直到近年来，随着纳米技术和复合材料的迅猛发展，多铁材料的研究才取得了突破性进展。目前，国内外学者已在多铁材料的结构设计、性能优化以及应用探索等方面取得了不少成果。但与此同时，多铁材料的研究仍面临着诸多挑战，如磁电耦合机理尚不完全明确、材料制备工艺复杂、实际应用中性能稳定性有待提高等。

在众多多铁材料中，铁酸铋（BiFeO?）凭借其特殊的结构和优异的性能，成为了研究的焦点之一。铁酸铋是少数在室温下同时具备铁电性和反铁磁性的材料，其铁电居里温度高达1103K，反铁磁奈尔温度为643K，这使得它在室温环境下呈现出稳定的多铁特性，为其在实际应用中的广泛使用提供了可能。这种独特的多铁特性，使得铁酸铋在信息存储、传感器、磁电耦合器件等领域展现出了巨大的应用潜力。在信息存储领域，基于铁酸铋的磁电存储器有望实现更高密度的数据存储和更快的读写速度；在传感器领域，利用其磁电耦合效应可以制备出高灵敏度的磁电传感器，用于检测微弱的磁场和电场信号；在磁电耦合器件方面，铁酸铋可以作为核心材料，实现电能和磁能之间的高效转换，为新型电子器件的设计提供了更多可能性。

然而，铁酸铋在实际应用中仍存在一些亟待解决的问题。例如，其室温下的铁电性和铁磁性相对较弱，这在一定程度上限制了其在高性能器件中的应用；此外，铁酸铋材料中存在的杂项较多，这不仅影响了材料的纯度和均匀性，还可能导致材料性能的不稳定；其磁电耦合系数较低，无法满足一些对磁电转换效率要求较高的应用场景；弱的反铁磁特性也使得其在某些磁性应用中表现不佳。为了克服这些问题，提高铁酸铋的性能，本论文采用元素掺杂和制备低维纳米线材料的方法进行研究。元素掺杂可以通过引入外来原子，改变铁酸铋的晶体结构和电子结构，从而调控其物理性能；制备低维纳米线材料则可以利用纳米材料的尺寸效应和表面效应，增强铁酸铋的性能。通过这些研究，有望为铁酸铋材料的性能优化和实际应用提供新的思路和方法，推动多铁材料在相关领域的广泛应用。

1.2铁酸铋材料概述

铁酸铋（BiFeO?）属于多铁性材料，在室温下兼具铁电性和反铁磁性，是当前多铁材料研究的热点之一。其晶体结构为菱方钙钛矿结构，晶胞参数a=b=c=5.63?，α=β=γ=59.4°，空间群为R3c。室温下单胞菱形钙钛矿结构的BiFeO?由立方结构沿着特定方向拉伸而成，Bi离子相对Fe-O八面体发生位移，导致结构产生不均匀性。一般认为BiFeO?具有8种结构相变。

铁酸铋的铁电性主要源于结构中Bi的6S孤对电子与其6P空轨道或者O2?轨道进行杂化，致使电子云的非对称中心扭曲，进而产生电偶极矩。在室温下，BiFeO?沿菱方结构晶向（六方结构晶向）产生自发极化。理论上其铁电极化高于100μC/cm2，但由于制备纯相铁酸铋的难度较大，材料中常存在二次相和各种缺陷，导致在铁酸铋陶瓷中测得的铁电极化通常只有几个μC/cm2。不过，随着薄膜技术的发展，如今已能够制备出外延的铁酸铋薄膜，测得的铁电极化与理论值十分接近。

在反铁磁性方面，铁酸铋具有G型反铁磁性。G型反铁磁结构由立方结构沿着(111)方向拉伸而成，沿此方向Bi相对于Fe-O八面体产生位移使晶体结构不均匀，自旋沿着（110）面排列成螺旋结构，螺旋周期约为62nm。这种G型反铁磁有序结构中每个Fe离子被6个自旋取向与之方向平行的Fe离子包围，而相邻的两个铁原子磁矩相对轴转一定角度，造成（111）面内具有净磁矩，宏观上表现为弱的铁磁性。

由于铁酸铋同时具备铁电性和反铁磁性，使其在多个领域展现出应用潜力。在信息存储领域，可利用其磁电耦合特性制作磁电随机存储器，有望实现高速、高密度、低能耗的数据存储；在传感器领域，能够制备高灵敏度的磁电传感器，用于探测微弱的磁场和电场信号变化，在生物医学检测、环境监测等方面发挥作用；在自旋电子器件中，铁酸铋可作为关键材料，推动自旋电子学的发展，实现新型电子器件的设计与应用，如自旋场效应晶体管等；在能源领域，基于其磁电耦合效应，可用于能量转换和存储，例如开发新型的磁电发电机、电池电极材料等。

然而，铁酸铋自身也存在一些缺点，限制了其广泛应用。