《多鐵性鐵酸鉍低維材料製備及應力調控下物性研究》是依託北京航空航天大學，由王瑤擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：多鐵性鐵酸鉍低維材料製備及應力調控下物性研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：王瑤
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
多鐵性材料同時具有鐵電有序和磁有序以及這兩種序參量之間的耦合效應，在新型磁電器件、自旋電子器件、高性能信息存儲器件等領域有巨大的套用前景，已成為材料學科研究前沿的一個熱點。鐵酸鉍是目前唯一的室溫單相多鐵性材料體系，但反鐵磁序的本質使優異鐵電性能和鐵磁性能共存困難，磁電耦合效應微弱，套用受到限制。本項目通過簡便的化學法實現低維鐵酸鉍納米材料可控生長，採用應力調控手段，研究低維材料的顯微結構、鐵電性能和磁性能的尺寸效應，深入探討納米結構中複雜的電、磁有序起源，以同時提高材料的鐵電、鐵磁性能。通過研究性能最佳化的低維結構在外電/磁場下的原位回響，建立低維鐵酸鉍材料性能的外場回響機制，期望在低維鐵酸鉍中實現磁與電的相互調控，從而套用於高存儲密度、低功耗、非易失的多態存儲器件。
結題摘要
本項目研究了BiFeO3基低維結構的化學法製備工藝研究，得到納米管結構的反應過程與形成機理以及單晶襯底上外延薄膜的製備工藝關鍵因素。通過對鈣鈦礦結構的BiFeO3A位和B位上進行化學摻雜，改變晶胞參數，控制菱方-四方-正交幾種相結構，使BFO薄膜具有不同的性能特點。A位Ba摻雜、B位Ti摻雜BiFeO3薄膜成分巨觀均勻微觀存在偏析，引起局部晶格畸變，產生較大內應力，當Ba、Ti含量50%時引發菱方-四方結構相變。伴隨著結構相變，Ba、Ti共摻BiFeO3薄膜表現出良好的鐵電性能，同時，BFO亞晶格的反鐵磁序向鐵磁序轉變。彈性能計算證實內應力引發的結構相變導致磁彈能變化，薄膜由此表現出磁各向異性的變化。B位Mn摻雜顯著提高薄膜鐵電性能，摻雜提高磁化強度，呈現自旋玻璃態行為。同時，在A位上引入空位，改變了Bi-O鍵以及Bi 6s孤對電子的化學活性，連同Mn離子在B位摻雜作用，使Mn-BFO薄膜最終轉變成為一種PbZrO3型反鐵電結構，具有反鐵電體的性能特徵。多種缺陷改變了BFO的電子結構。通過在不同晶胞參數的單晶襯底上生長BFO基薄膜，研究應力變化對薄膜結構-性能調控作用。結果表明，在大應力狀態下，BFO膜為菱方相和四方相共存，電疇結構主要71°和109°疇構成，電-力-形變耦合關聯，電疇隨外加電場翻轉，面內疇呈現可觀察的電致應變效應。另一方面，基片加持應力不是薄膜亞晶格磁矩發生扭轉形成反鐵磁有序的有利手段，薄膜呈現反鐵磁和自旋玻璃態共存。Mn離子摻雜引入晶格內的John-Teller形變與基片應力同時作用，使薄膜的晶胞參數、相結構變化， T相減弱，壓電力回響減弱。本項目的研究為化學法調控多鐵性鐵酸鉍結構、電-力耦合以及多鐵性能提供了一種可行的思路。
