单相磁电材料中氧空位的动性研究

单相磁电材料由于同时具有铁电性、磁性和磁电耦合等性能而受到了研究者的普遍关注，但以氧空位为代表的缺陷浓度和动性对材料诸多物理过程和性能有很大的影响。因此，本项目拟选择单相磁电材料BiFeO3和Bi5Ti3FeO15为主要研究对象，综合利用多种手段调控和研究材料中氧空位的动性，澄清氧空位在材料中的运动方式、关联性及与其氧空位浓度、样品性能、外部电场、温度等激励条件之间的关系，在总结氧空位及其动性对材料电、磁以及磁电耦合等性能调控作用的基础上，为材料改性和新材料设计提供依据。

在小型多功能电子器件上有广泛应用前景的单相磁电材料多为复杂的过渡金属氧化物，以氧空位为代表的缺陷行为，如浓度、组态及动性都与材料中诸多的物理过程和性能有密切关系，因此磁电材料中氧空位行为及其对材料性能影响的研究具有重要的学术意义和实用价值。本项目以典型的室温磁电材料BiFeO3和Bi5Ti3FeO15为主要研究对象，考察了氧空位的迁移、关联性与其浓度、价态、外场等之间的关系，研究了氧空位对材料宏观性能的调控作用，制备了具有较低氧空位浓度和较好室温磁电性能的单相材料。主要研究成果包括：（1）通过不同气氛处理、改良实验条件、稳态离子掺杂等多种手段成功调控了材料中的氧空位。（2）在传统固相烧结法制备的BiFeO3陶瓷中发现两套与氧空位有关的弛豫过程，分析认为其分别对应于氧空位的单个以及关联弛豫过程。成簇氧空位之间的关联性和氧空位浓度直接相关，浓度减小，关联性减弱，激活能增加。（3）在快速液相加淬火技术制备的BiFeO3陶瓷中发现氧缺陷处于亚稳态的Vo+，其两套弛豫峰分别对应Vo+的弛豫及电离过程。随着真空缺氧环境中电离过程的进行，Vo+逐渐向Vo2+转化，并最终稳定为Vo2+的弛豫过程，充氧处理可以使这一电离过程逆向进行。这一可逆的氧空位调控过程对于BiFeO3在可变电阻等方面的应用有一定的借鉴意义。（4）氧空位的减少可以有效提高材料的铁电、疲劳、介电等电学性能，但往往会同时压制材料的磁性，因此氧空位的调控虽为材料改性提供了一定的依据，磁电材料电磁及耦合性能的同时提高还需要多种调控手段的结合。（4）在尺寸接近62nm的BiFeO3纳米颗粒中实现了铁磁、铁电及磁电容效应的同时提高。项目执行期间完成论文16篇，其中SCI论文15篇。