多铁性铁酸铋低维材料制备及应力调控下物性研究

多铁性材料同时具有铁电有序和磁有序以及这两种序参量之间的耦合效应，在新型磁电器件、自旋电子器件、高性能信息存储器件等领域有巨大的应用前景，已成为材料学科研究前沿的一个热点。铁酸铋是目前唯一的室温单相多铁性材料体系，但反铁磁序的本质使优异铁电性能和铁磁性能共存困难，磁电耦合效应微弱，应用受到限制。本项目通过简便的化学法实现低维铁酸铋纳米材料可控生长，采用应力调控手段，研究低维材料的显微结构、铁电性能和磁性能的尺寸效应，深入探讨纳米结构中复杂的电、磁有序起源，以同时提高材料的铁电、铁磁性能。通过研究性能优化的低维结构在外电/磁场下的原位响应，建立低维铁酸铋材料性能的外场响应机制，期望在低维铁酸铋中实现磁与电的相互调控，从而应用于高存储密度、低功耗、非易失的多态存储器件。

本项目研究了BiFeO3基低维结构的化学法制备工艺研究，得到纳米管结构的反应过程与形成机理以及单晶衬底上外延薄膜的制备工艺关键因素。通过对钙钛矿结构的BiFeO3A位和B位上进行化学掺杂，改变晶胞参数，控制菱方-四方-正交几种相结构，使BFO薄膜具有不同的性能特点。A位Ba掺杂、B位Ti掺杂BiFeO3薄膜成分宏观均匀微观存在偏析，引起局部晶格畸变，产生较大内应力，当Ba、Ti含量50%时引发菱方-四方结构相变。伴随着结构相变，Ba、Ti共掺BiFeO3薄膜表现出良好的铁电性能，同时，BFO亚晶格的反铁磁序向铁磁序转变。弹性能计算证实内应力引发的结构相变导致磁弹能变化，薄膜由此表现出磁各向异性的变化。B位Mn掺杂显著提高薄膜铁电性能，掺杂提高磁化强度，呈现自旋玻璃态行为。同时，在A位上引入空位，改变了Bi-O键以及Bi 6s孤对电子的化学活性，连同Mn离子在B位掺杂作用，使Mn-BFO薄膜最终转变成为一种PbZrO3型反铁电结构，具有反铁电体的性能特征。多种缺陷改变了BFO的电子结构。通过在不同晶胞参数的单晶衬底上生长BFO基薄膜，研究应力变化对薄膜结构-性能调控作用。结果表明，在大应力状态下，BFO膜为菱方相和四方相共存，电畴结构主要71°和109°畴构成，电-力-形变耦合关联，电畴随外加电场翻转，面内畴呈现可观察的电致应变效应。另一方面，基片加持应力不是薄膜亚晶格磁矩发生扭转形成反铁磁有序的有利手段，薄膜呈现反铁磁和自旋玻璃态共存。Mn离子掺杂引入晶格内的John-Teller形变与基片应力同时作用，使薄膜的晶胞参数、相结构变化， T相减弱，压电力响应减弱。本项目的研究为化学法调控多铁性铁酸铋结构、电-力耦合以及多铁性能提供了一种可行的思路。