鐵酸鉍

鐵酸鉍（BiFeO₃ ），屬於多鐵性（multiferroic）材料的一種，具有鐵電性和反鐵磁性，是當前多鐵材料研究的熱點之一。其鐵電居里溫度820 ℃，反鐵磁奈爾溫度370℃，因此在室溫下具有多鐵性，其具有廣闊的套用前景。

基本介紹

• 中文名：鐵酸鉍
• 外文名：multiferroic
• 性質：名詞
• 類別：fdhfghg

結構

單晶BiFeO3具有菱方鈣鈦礦結構，晶胞參數 a=b=c=5.63Å，α=β=γ=59.4°，屬於R3c空間群。 室溫下單胞菱形鈣鈦礦結構的BiFeO₃是由立方結構沿著[111]方向拉伸而成。Bi³⁺離子相對Fe-O八面體發生位移，結構產生不均勻性，如圖所示。一般認為BiFeO₃具有8種結構相變。

塊狀BiFeO3結構

薄膜BiFeO3結構

性質

鐵電性

一般來說ABO₃型鈣鈦礦結構的鐵電性的主要來源於相變時B位的離子正電荷中心相對於氧八面體的中心發生了位移從而產生電偶極矩。BiFeO₃結構中Bi³⁺的6S²孤對電子與其6P空軌道或者O2-軌道進行雜化，而導致電子云的非對稱中心扭曲是BiFeO₃產生鐵電性的主要原因。室溫下BiFeO₃沿菱方結構[111]晶向(六方結構[001]晶向)產生自發極化。理論上其鐵電極化高於100uC/cm2，但是由於很難製備出純的鐵酸鉍，其中存在二次相和各種缺陷，導致很難測出其真實的鐵電極化，通常在鐵酸鉍陶瓷中測得的鐵電極化只有幾個uC/cm2。隨著薄膜技術的發展，現在已經能夠製備出外延的鐵酸鉍薄膜，測得的鐵電極化和理論值十分接近（見Science的文章）。

反鐵磁性

鐵酸鉍具有G型的反鐵磁性，G型反鐵磁結構是由立方結構沿著(111)方向拉伸而成，沿此方向Bi³⁺相對於Fe-O八面體產生位移使晶體結構不均勻，自旋沿著（110）面排列成螺旋結構（如圖所示），螺旋周期約為62nm。這種G型反鐵磁有序結構中每個Fe³⁺離子被6個自旋取向與之方向平行的Fe³⁺離子包圍，而相鄰的兩個鐵原子磁矩相對[111]軸轉一定角度造成（111）面內具有淨磁矩，巨觀上表現為弱的鐵磁性。

BiFeO3自旋結構示意圖

合成與製備

BiFeO₃的合成與製備方法較多，總的來說可以分為物理法和化學法。物理法如蒸發法（電阻蒸發、電感蒸發、電子束蒸發等）濺射沉積法（磁控濺射等），化學法包括化學氣相沉積法（CVD）、溶膠-凝膠法（sol-gel）、以及液相外延生長技術、金屬有機溶解（MOD）、水熱與溶劑熱合成法。此外還有一些新的合成方法如電解合成法、場誘導化學合成法、仿生合成等廣泛的套用在新的材料的製備中。