BiFeO3不同格位缺陷的特征及其对电磁性能的影响

As a single phase multiferroic materials, BiFeO3 exhibits simultaneous presence of ferroelectric and magnetic properties in the same phase with electromagnetic coupling between them. In the past few years, great attentions have been paid to BiFeO3,because they not only have a whole range of new potential applications, but also have interesting and fascinating fundamental physics. In this proposal,we will study on the following based on pre-preparation of BiFeO3 multiferroics materials.(1)The defect evolution of BiFeO3 materials induced by prepared technics,ions deoping and heat treatment,and their influences on the ferroelectric and magnetism properties;(2)To explore the effects of defect characters at the interface on the ferroelectric and magnetism properties of BiFeO3/La0.7Sr0.3MnO3 multilayers;(3)The micro-mechanism of defect characters on the ferroelectric and magnetism properties of BiFeO3 system are studied by simulation using first-principle and experimental results. This research can provide theoretical and experimental basis for the mechanism study of multiferroics and the application of information storage and electronic devices.

钙钛矿结构化合物BiFeO3是目前唯一在室温下同时具有铁电性、磁性和磁电耦合效应的单相多铁材料，该材料不仅具有潜在的应用前景，而且其丰富的物理内涵更是具有极其重要的理论研究价值，成为近年来凝聚态物理、材料科学领域研究的热点内容之一。本课题拟在前期工作的基础上，（1）通过制备及后处理工艺的控制、离子替代/掺杂在块材体系样品的A位、B位引入缺陷，采用正电子湮没等技术研究不同晶格位置缺陷种类、大小、浓度分布等对体系电磁性能的影响规律；（2）采用正电子湮没等技术探究BiFeO3/La0.7Sr0.3MnO3等多层膜界面处缺陷种类、大小、浓度分布等对体系电磁性能的影响规律；（3）结合第一性原理模拟计算，阐明材料的缺陷对体系电磁性能影响的机理。该研究将为BiFeO3类多铁材料基本物理机制的理解提供基础实验资料，同时为该材料在信息存储、电子元器件方面的开发应用提供基础研究支持。

BiFeO3(BFO)室温下铁电与反铁磁有序共存、磁/电偶极子强耦合的特性显示其具有丰富的物理内涵和巨大的应用前景。然而其漏电流较大、磁性较弱、磁性起源仍存在很大争议。为此，本项目利用正电子湮没、Raman等实验技术并结合理论计算，进行了如下研究：(1)研究了BFO陶瓷/薄膜制备工艺参数对体系微结构和物理性能的影响。发现N2气氛中烧结的样品具有较好的结晶度、较少的杂相和较好的电学性能，Fe2+含量是影响BFO漏电流的主要原因；提高烧结温度有助于提高样品的结晶性、增大晶粒尺寸，870℃烧结的样品致密度、电学性能最优，而890℃烧结的样品的磁性最好；发现沉积温度对BFO薄膜晶体结构和性能有较大影响。(2)采用不同元素对BFO掺杂，研究掺杂离子浓度、价态及占位等因素对体系晶格结构、微观形貌、缺陷浓度以及分子极化等的影响；分析了不同格位的缺陷特征对电磁性能的影响发现了微结构对体系电磁性能的影响规律，并对此予以理论上的解释。(3)设计了两种功能氧化物(铁电材料BaTiO3、巨介电材料CaCu3Ti4O12)对BFO掺杂，得到了具有良好电磁学性能的材料，BaTiO3化学计量比为30％的材料的剩余极化为~1.989μC/cm2，化学计量比为25％的材料的剩余磁化强度为~0.269 emu/g；发现氧化物掺杂能够引起体系微观形貌、晶体结构等微结构的变化，进而对体系的电磁性能产生影响，对不同功能氧化物掺杂对BFO的影响机理进行了理论探讨和物理解释。本课题的研究结果将对BFO体系的多铁机理的理解提供有价值的实验资料，同时为正电子湮没技术用于第I类多铁材料的缺陷研究方面提供例证，在该类材料的改性和应用方面也具有一定的实际意义。