单相室温高性能多铁性材料设计、制备和特性研究

Multiferroics are of fundamental importance both in science and technology applications. In order to overcome drawbacks which permeate every field of multiferroics: extremely low ordering temperature and poor performance, single phase multiferroics with high performance at room temperature will be synthesized by chemistry doping and solid solution. Binary solid solution of BiFeO3 and rare earth ferrite with pervoskite structure will be synthesized to enhance magnetization while co-doping Fe3+ with aliovalent ionic to decrease the leakage current and thereby enhance ferroelectricity. Multiferroics based on spinel ferrites will be explored by chemistry modification and cation distribution between oxygen tetrahedral and octahedral site. Composition-dependent of structure transition will be studied by X-Ray diffraction, XPS and MÖssbauer spectroscopy. Structure-dependent of electric and magnetic properties and the interaction between spontaneous electric dipole moment and magnetic moment will be studied by dielectric, ferroelectric, ferromagnetic and magnetoelectric characterization.This proposal can make a progress in exploring and application of multiferroics with high performance at room temperature while improving the understanding of physical mechanism of magnetoelectric effect and strong electron correlation effect.

多铁性材料具有重要的理论研究和应用价值。鉴于目前单相多铁材料普遍存在有序温度极低和性能差等问题，本项目通过形成固溶体和化学掺杂来获得单相室温高性能多铁材料。本项目拟将BiFeO3与稀土钙钛矿铁氧体形成固溶体来增强磁性，同时用异价阳离子取代部分Fe3+来减小漏导，增强铁电性。本项目拟从具有优良磁性的尖晶石铁氧体出发，通过化学掺杂和调控阳离子在氧四面体和八面体中的分布来修饰其晶体结构，降低对称性，以此探索新类型的单相室温高性能多铁材料。通过X射线衍射、XPS、穆斯堡尔谱确定材料晶体结构，研究化学组成、合成条件与晶体结构的关系。通过介电、铁电、铁磁和磁电耦合等手段研究晶体结构与电、磁性质之间的关系以及自发电偶极矩和磁矩之间的耦合作用。本项目研究对室温高性能多铁材料的开发和应用有实际意义，同时进一步加深对磁电耦合、强电子关联问题的认识和理解。

多铁性材料具有重要的理论研究和应用价值。本项目主要研究内容是解决目前单相多铁材料普遍存在有序温度极低和性能差等问题。首先，我们研究了BiFeO3分别与钙钛矿铁氧体LaMnO3, LaFeO3和DyFeO3形成固溶体后的晶体结构和性质变化规律。结果表明，随着La，Dy等离子的取代，BiFeO3的晶体结构发生对称性变化，磁性和铁电性也有改善，在此基础上绘制了组成-结构相图。其次，我们同时用Ti4+取代部分Fe3+来减小漏导，增强铁电性。研究表明Ti取代的BiFeO3-DyFeO3固溶体具有本征的室温磁电耦合特性，是一种性能优异的多铁性材料。研究磁电耦合的同时，我们发现了BiFeO3-DyFeO3固溶体中存在的罕见的磁极反转效应。然后从具有优良磁性的尖晶石铁氧体出发，合成并研究了具有反尖晶石结构的LiFe5O8具有强的低温磁电耦合特性，是一种性能优良的磁电耦合材料。最后，我们研究了正尖晶石和部分反尖晶石结构的ZnFe2O4的气敏性质，发现部分反尖晶石结构的ZnFe2O4是优秀的气敏材料，具有高灵敏度和高选择性。本项目研究对室温高性能多铁材料的开发和应用有实际意义，同时进一步加深对磁电耦合、结构-性质关系、强电子关联问题的认识和理解。