厘米级BiFeO3单晶的合成及其高温铁电相转变研究

This project focuses on "Synthesis of High Quality Centimeter-size BiFeO3 Single Crystal and its High Temperature Ferroic Phase Transitions", which is still an open and unresolved question in this field. On basis of the previous research works on this topic, the applicants of this project propose a reasonable and executable plan. According to the arrangements in this plan, the applicants are going to do lots of experiments to overcome two technical difficulties in the synthesis of centimeter-size BiFeO3 single crystal, that are (1) establishment of a more accurate phase diagram of Fe2O3-Bi2O3 and (2) avoidance against crystals broken due to great changes in volume caused by phase transition near Curie temperature of BiFeO3, and finally successfully achieve centimeter-size BiFeO3 single crystal. Furthermore, they will make great efforts to study on the phase transition behavior of both pure phase BiFeO3 ceramics and high quality single crystals, and then make conclusions on the mechanism of BiFeO3 ferroic phase transitions and the crystal structure of its paraelectric phases at high temperature. It is well believed that this project will bring more creative achievements, and also accelerate the development in the practice applications of BiFeO3.

本项目研究着重于解决BiFeO3材料研究领域目前存在的研究难题：高质量大尺寸BiFeO3单晶(厘米级)的合成及其高温铁电相转变行为。项目申请人在前期预先研究的基础上，提出了合理可行的研究实施方案，通过突破两个关键性的技术瓶颈：（1）建立一个精确的Fe2O3-Bi2O3相图和（2）避免相转变过程中的体积变化效应引起的晶体开裂问题，从而制备出高质量大尺寸的BiFeO3单晶；同时，结合对高相纯度BiFeO3陶瓷和单晶的高温铁电相转变分析，最终确定BiFeO3的铁电相转变机制和高温顺电相的晶体结构。有理由相信，本项目必将产生一系列具有较高原创性的科研成果，同时也会极大地促进BiFeO3材料在功能器件方面的应用。

高温区BiFeO3材料的结构测定及其相转变行为研究是个非常关键的科学问题，BiFeO3材料的多铁性能和高温区的结构密切相关。同时，高质量BiFeO3单晶的制备目前在国际上依然是一个研究难题。本项目主要针对以上技术难题开展实验和分析研究，该项目研究的科研成果无论是对于基础研究，还是对于BiFeO3材料的实际应用都具有重要的研究意义。.本项目研究实施后，项目组成员及其合作者发表了16篇高质量的科研论文（其中多篇论文发表在如Advanced Materials、Physical Review Letters以及Physical Review B等高水平的期刊上），培养5名硕士研究生。主要研究内容和重要结果分述如下：.（1）制备了高相纯度的BiFeO3陶瓷，分析研究了其高温相转变行为，建立了一个更为精确的Fe2O3-Bi2O3相图；.（2）制备了16种元素离子掺杂的BiFeO3陶瓷，分析研究了这些陶瓷的多铁性、高温铁电相转变行为。在La、Mn掺杂的BiFeO3陶瓷中观察到两次完整的相转变过程，即铁电α相（菱形相R3c）—高温顺电β相（单斜相P21/m）—最高阶对称相γ相（立方相Pm-3m）；.（3）改进单晶制备工艺，制备了尺寸在0.5~1cm的高质量BiFeO3单晶，并利用Raman散射温谱观察到3个磁结构相转变过程（140K和205K附近的两个自旋重取向转变，以及650K附近的反铁磁—顺磁转变）；.（4）制备了15种元素离子掺杂的BiFeO3薄膜，发现离子掺杂增强了薄膜的铁电极化性能，在（Sm，Mn）共掺杂的BiFeO3薄膜中实现了高达Pr ~73uC/cm2的剩余极化。同时，随着掺杂浓度的提高，BiFeO3薄膜具有从菱形相R3c到四方相P4mm转变的趋势；.（5）综合分析表征了BiFeO3的相转变行为，建立了一套完整的相转变序列，确定了其高温顺电β相（单斜相P21/m）和最高阶对称γ相（立方相Pm-3m）的晶体结构；.（6）联合法国Ecole Centrale Paris的Brahim Dkhil教授积极开展拓展研究：利用唯象理论研究了BaTiO3的铁电相转变及其电卡效应。.总之，项目组成员按照既定的研究方案积极开展实验和理论研究工作，完成了本项目所要求的各项研究内容和研究目标，并取得了一些具有重要科学意义的科研成果。