氟离子调控单晶铁酸铋纳米片的水热生长、微结构及其铁磁性能研究

This project aims at some scientific problems concerning the nucleation-growth and size adjustability in the preparation of two-dimensional single-crystal nanoplates of BiFeO3. It is innovative to propose that the precursors with a surfactant effect are chosen to realize the two-dimensional growth of the nanoplates during the hydrothermal preparation of BiFeO3 materials. Furthermore, F- ions will be introduced to mediate the growth process in order to control the size of the nanoplates. Accordingly, the growth mechanism of the nanoplates can be deeply investigated and elucidated. The microstructure and magnetic properties of BiFeO3 single-crystal nanoplates with different sizes was studied to reveal its size-dependent ferromagnetic, antiferromagnetic and phase transition temperature. These results will not only lead to a new direction towards optimizing the magnetic properties of BiFeO3 nanomaterials but also provide experimental guidance for developing related nanodevices and their application. On the basis of the project, the independent intellectual property achievements will be obtained.

本项目针对二维单晶铁酸铋(BiFeO3)纳米片制备中的成核-生长与尺寸可调性等关键科学问题，创新性提出在水热法中，选取具有表面修饰剂作用的反应物，并引入氟离子对铁酸铋的生长过程进行调控，实现铁酸铋单晶纳米片的尺寸可控性，研究并阐明水热条件下铁酸铋单晶纳米片的生长机制；研究不同尺寸的BiFeO3单晶纳米片的微结构及磁学性能的研究，揭示其铁磁性、反铁磁性及相变温度随尺寸的变化规律，提出优化BiFeO3纳米材料铁磁性能的新方向，取得具有自主知识产权的研究成果，为相关纳米器件的研发和应用提供重要的实验依据和指导。

铁酸铋单晶纳米片是研究本征磁电耦合效应的理想体系，但难以制备，本项目针对这一问题，创新性选用具有表面修饰剂作用的反应物，并引入氟离子对铁酸铋的生长过程进行调控，采用水热法成功制备了单分散的单晶BiFeO3纳米片，氟离子的引入使得BiFeO3纳米片表面变得光滑，通过改变氟离子的浓度，可以有效的调控BiFeO3的厚度(80nm-380nm)。氟离子吸附在BiFeO3的表面上是使得BiFeO3的厚度变薄的原因。BiFeO3纳米片的形成经历了超薄片取向聚集和自组装的过程，层层叠加的生长方式使BiFeO3纳米片形成了很多的内部界面，界面处由于晶格畸变产生应力，界面处的晶格处于被拉伸的状态。所制备的BiFeO3的反铁磁相变温度TN都很高，比BFO的理论奈尔温度370°C高出了100.78-142.76°C，最高达512°C，各向异性的片状结构是引起其具有较大奈尔温度的原因之一。第一性原理计算结果与实验结果相一致，表明内部界面处拉伸应力的存在可能是导致BiFeO3微纳米片反铁磁相变温度提高的重要原因。BiFeO3纳米器件的构建及其性能研究显示出BiFeO3纳米片在纳米器件的研发和应用方面的潜力。.本项目的研究结果为优化铁酸铋纳米材料铁磁性能提供了新的方向，为相关纳米器件的研发和应用提供重要的实验依据和指导，具有较高的科学意义。