厘米級BiFeO3單晶的合成及其高溫鐵電相轉變研究

《厘米級BiFeO3單晶的合成及其高溫鐵電相轉變研究》是依託西安交通大學，由魏傑擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：厘米級BiFeO3單晶的合成及其高溫鐵電相轉變研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：魏傑
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

本項目研究著重於解決BiFeO3材料研究領域目前存在的研究難題：高質量大尺寸BiFeO3單晶(厘米級)的合成及其高溫鐵電相轉變行為。項目申請人在前期預先研究的基礎上，提出了合理可行的研究實施方案，通過突破兩個關鍵性的技術瓶頸：（1）建立一個精確的Fe2O3-Bi2O3相圖和（2）避免相轉變過程中的體積變化效應引起的晶體開裂問題，從而製備出高質量大尺寸的BiFeO3單晶；同時，結合對高相純度BiFeO3陶瓷和單晶的高溫鐵電相轉變分析，最終確定BiFeO3的鐵電相轉變機制和高溫順電相的晶體結構。有理由相信，本項目必將產生一系列具有較高原創性的科研成果，同時也會極大地促進BiFeO3材料在功能器件方面的套用。

結題摘要

高溫區BiFeO3材料的結構測定及其相轉變行為研究是個非常關鍵的科學問題，BiFeO3材料的多鐵性能和高溫區的結構密切相關。同時，高質量BiFeO3單晶的製備目前在國際上依然是一個研究難題。本項目主要針對以上技術難題開展實驗和分析研究，該項目研究的科研成果無論是對於基礎研究，還是對於BiFeO3材料的實際套用都具有重要的研究意義。 本項目研究實施後，項目組成員及其合作者發表了16篇高質量的科研論文（其中多篇論文發表在如Advanced Materials、Physical Review Letters以及Physical Review B等高水平的期刊上），培養5名碩士研究生。主要研究內容和重要結果分述如下： （1）製備了高相純度的BiFeO3陶瓷，分析研究了其高溫相轉變行為，建立了一個更為精確的Fe2O3-Bi2O3相圖； （2）製備了16種元素離子摻雜的BiFeO3陶瓷，分析研究了這些陶瓷的多鐵性、高溫鐵電相轉變行為。在La、Mn摻雜的BiFeO3陶瓷中觀察到兩次完整的相轉變過程，即鐵電α相（菱形相R3c）—高溫順電β相（單斜相P21/m）—最高階對稱相γ相（立方相Pm-3m）； （3）改進單晶製備工藝，製備了尺寸在0.5~1cm的高質量BiFeO3單晶，並利用Raman散射溫譜觀察到3個磁結構相轉變過程（140K和205K附近的兩個自旋重取向轉變，以及650K附近的反鐵磁—順磁轉變）； （4）製備了15種元素離子摻雜的BiFeO3薄膜，發現離子摻雜增強了薄膜的鐵電極化性能，在（Sm，Mn）共摻雜的BiFeO3薄膜中實現了高達Pr ~73uC/cm2的剩餘極化。同時，隨著摻雜濃度的提高，BiFeO3薄膜具有從菱形相R3c到四方相P4mm轉變的趨勢； （5）綜合分析表征了BiFeO3的相轉變行為，建立了一套完整的相轉變序列，確定了其高溫順電β相（單斜相P21/m）和最高階對稱γ相（立方相Pm-3m）的晶體結構； （6）聯合法國Ecole Centrale Paris的Brahim Dkhil教授積極開展拓展研究：利用唯象理論研究了BaTiO3的鐵電相轉變及其電卡效應。 總之，項目組成員按照既定的研究方案積極開展實驗和理論研究工作，完成了本項目所要求的各項研究內容和研究目標，並取得了一些具有重要科學意義的科研成果。