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铈铬掺杂对铁酸铋薄膜铁电性的影响及机制研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在当今材料科学的前沿领域，多铁材料以其独特的物理性质吸引了众多科研工作者的目光。其中，铁酸铋（BiFeO?，简称BFO）薄膜作为一种极具代表性的多铁材料，因其在室温下同时具备铁电性和反铁磁性，且拥有较高的铁电居里温度（约820℃）和反铁磁奈尔温度（约370℃），在诸多领域展现出了巨大的应用潜力。从微观结构来看，单晶BiFeO?具有菱方钙钛矿结构，属于R3c空间群，其独特的结构赋予了材料特殊的电学、磁学性能。在信息存储领域，传统的存储技术面临着读写速度、存储密度和能耗等多方面的挑战，而铁酸铋薄膜由于其铁电特性，可实现电写磁读或磁写电读的新型存储模式，有望突破传统存储技术的瓶颈，推动信息存储向高速、高密度、低能耗方向发展。在传感器领域，利用其磁电耦合效应，能够将磁场变化转化为电信号输出，或者将电信号转换为磁场变化，从而实现对磁场、电场等物理量的高灵敏度探测，可广泛应用于生物医学检测、环境监测等领域。此外，在自旋电子学器件中，铁酸铋薄膜的多铁性质也为开发新型的逻辑电路和数据处理单元提供了可能，能够极大地提高器件的性能和集成度。

尽管铁酸铋薄膜具有如此诱人的应用前景，但其在实际应用中仍面临着诸多问题。其中，铁电性较弱是制约其发展的关键因素之一。纯净的铁酸铋薄膜存在着诸如氧空位、晶格缺陷等问题，这些缺陷会严重影响材料内部的电荷分布和电偶极矩的有序排列，导致其铁电极化强度难以达到理论值，进而限制了其在相关领域的应用效果。为了克服这一难题，科研人员尝试采用多种方法对铁酸铋薄膜进行改性，其中掺杂是一种简单且有效的手段。通过在铁酸铋晶格中引入其他元素（如稀土元素、过渡金属元素等），可以改变材料的电子结构和晶体结构，从而显著提升其铁电性能。

在众多的掺杂元素中，铈（Ce）和铬（Cr）因其独特的电子构型和化学性质，成为了研究的热点。铈作为一种稀土元素，具有可变的价态（Ce3?和Ce??），能够在铁酸铋晶格中引入额外的电荷载流子，改变材料的电子云分布，进而影响电偶极矩的形成和取向，增强铁电性。铬作为过渡金属元素，其3d电子的特殊轨道结构可以与铁酸铋中的Fe离子产生强烈的电子相互作用，调整晶体场的对称性，优化晶格结构，从而提升铁电性能。然而，目前对于掺铈和掺铬对铁酸铋薄膜铁电性影响的研究仍存在诸多不足。一方面，两种掺杂元素对铁酸铋薄膜铁电性影响的对比研究相对较少，缺乏系统性和全面性的分析，难以清晰地揭示不同掺杂元素的作用机制和优劣。另一方面，对于掺杂后薄膜的微观结构演变、电子态变化与铁电性能之间的内在联系，尚未形成统一的认识，这在很大程度上限制了对掺杂铁酸铋薄膜性能的进一步优化和调控。因此，深入开展掺铈与掺铬对铁酸铋薄膜铁电性影响的对比研究，不仅能够丰富多铁材料的基础理论知识，揭示掺杂对材料性能影响的本质规律，而且对于推动铁酸铋薄膜在实际应用中的发展具有重要的现实意义，有望为开发高性能的多铁材料和相关器件提供新的思路和方法。

1.2国内外研究现状

在多铁材料研究领域，铁酸铋薄膜一直是国内外学者关注的焦点。对于掺铈对铁酸铋薄膜铁电性影响的研究，国内外取得了一系列有价值的成果。有研究表明，通过溶胶-凝胶法制备的Ce掺杂BiFeO?薄膜，随着Ce含量的增加，薄膜的晶体结构逐渐发生变化，从原本的菱方钙钛矿结构向更有序的结构转变。这种结构的变化有效减少了晶格缺陷和氧空位的数量，从而降低了薄膜的漏电流，增强了铁电性能。在对Ce掺杂浓度为x的BiFeO?薄膜的研究中发现，当x=0.05时，薄膜的剩余极化强度相较于未掺杂时提高了约30%，达到了[具体数值]μC/cm2，这一结果表明适量的Ce掺杂能够显著改善铁酸铋薄膜的铁电性能。通过第一性原理计算，深入探究了Ce掺杂对BiFeO?薄膜电子结构的影响机制，发现Ce的掺入使得BiFeO?的能带结构发生了明显变化，费米能级附近的电子态密度增加，增强了电偶极矩的稳定性，进而提升了铁电性。

在掺铬对铁酸铋薄膜铁电性影响的研究方面，也取得了不少进展。有学者采用脉冲激光沉积法制备了Cr掺杂的BiFeO?薄膜，实验结果显示，Cr的掺杂改变了薄膜的表面形貌和微观结构，形成了更为致密的薄膜结构，减少了晶界处的缺陷，有利于铁电畴的形成和翻转，从而提高了铁电性能。在对不同Cr掺杂量的BiFeO?薄膜的研究中发现，当Cr掺杂量为[具体数值]时，薄膜的矫顽场降低，剩余极化强度有所提高，表明Cr掺杂在一定程度上优化了铁酸铋薄膜的铁电性能。还有研究通过X射线光电子能谱（XPS）分析，揭示了Cr掺杂后BiFeO?薄膜中元素的化学状态变化，发现Cr离子在晶格中