文档介绍：多铁性材料BiFeO3的研究
北京理工大学 材料学院 10硕1班杨伟光
contents
1、磁电效应与多铁材料
2、单相多铁性材料BiFeO3简述
磁电效应
与传统意义上的麦克斯韦方程组所表示的电磁耦合不同，磁电效应所主要有钙钛矿型化合物/六角结构化合物/方硼石型化合物和BaMnF4化合物。
多铁性复合材料
包括铁电铁磁单相材料的复合压层，嵌入式和混合型复合材料和超晶格结构材料。
对复合磁电材料而言,各组成相可不存在磁电性;但压磁相在外加磁场下发生应变,应变通过压磁相与压电相之间的机械耦合作用传递给压电相,然后通过压电效应产生电极化,从而呈现磁电效应。
多铁性起源
铁电有序
电滞回线：自发极化过程
自发极化----原子位置---氧八面体中离子偏离中心的运动---ABO3型钙钛矿结构
居里温度：顺电相到铁电相的转变温度
多铁性起源
铁磁有序
铁磁性起源—过渡元素的原子具有一定大小的固定磁矩，有序排列
反铁磁性（BiFeO3)---原子自旋反向平行，宏观磁矩为0
奈尔温度
磁滞回线：自发磁矩
多铁性起源
多铁材料在自然界中十分罕见，目前人们知道的有铋类钙钛矿、稀土亚锰酸盐类钙钛矿以及方朋石等,它们的尼尔温度很低,常为100K左右或以下,随温度的升高,磁电效应降低也很快,所以单相材料的多铁性还需通过一些方法进行加强
BFO是已知的十分少见的室温下单相多铁性材料
探究多铁性难以存在的原因 ，有如下解释
多铁性起源
A 经验：
几乎所有钙钛矿型铁电氧化物中的B位离子都是具有空d轨道的过渡金属离子，而磁性氧化物需要d轨道未完全填满的过渡金属离子，否则电子自旋相互抵消，磁性消失。
B 理论：
晶体结构畸变，氧八面体中心原子偏离，形成铁电相，其起源是B位离子空d轨道同其周围一个阴离子形成较强共价键，以致偏移。这与磁性对于d轨道的需求不符。
不同结构多铁性材料产生多铁性的具体机理不同
BFO简介
BiFeO3 是研究的最多的具有钙钛矿型结构的单相多铁性材料。BiFeO3 在居里温度Tc ～ 830℃之间有铁电性，在Tn ～ 370℃之间有反铁磁性。
BiFeO3 的晶胞通常是不理想的立方点阵对称群，块体的BiFeO3 属于R3C 点群, 为扭曲的三方钙钛矿结构。
BFO简介
晶格常数不同的报道有同的数据， 等测得的结果为a=b=c=[16]， 而Fiebig 等测得的结果则为a=b=c=，α=β=γ=， 三方钙钛矿结构由立方结构沿（111）方向拉伸而成, 沿此方向Bi3+ 相对Fe-O 八面体位移, 使晶体结构不均匀，自旋沿（110）面排列成螺旋结构, 周期约为600A。由于螺旋磁结构使得在低磁场下不仅表现出极弱的铁磁性, 磁电效应也几乎为零，因此在室温下呈弱的反铁磁性。
BFO简介
纯的BiFeO3 基材料的磁电性能比较差，需要对其进行改善。目前改善的方法有以下四种：
（1）Popov 等对BiFeO3 施加强磁场, 发现在200kOe 时，有电子极化的突跃和线性磁电效应的出现；
（2）制成薄膜材料改变其结构；
（3）稀土掺杂改性；
（4）与其他钙钛矿型结构的铁电材料形成互溶体系。
同时要求制成纳米材料，打破其G型反铁磁调制螺旋结构。
BFO简介
掺杂改性机理
A位掺杂一般有选择La3+,Nd3+等，化学价相近且离子半径相近，易于取代，稳定氧八面体，减少Bi挥发，减少氧空位，减少载流子，减少漏电导。
例：掺Dy:x= -8A/cm2 （-6)，剩余极化 μc/cm2
原理：一方面使缺陷增加，另一方面降低Bi的挥发。
BFO简介
B位掺杂
离子半径相近的，具有相似固溶体结构的B位原子掺杂BiFe1-XRXO3
掺Ti:x= 200KV/cm电场下漏电流密度=-8A/cm2（-6)自发极化 μc/cm2
原理：高价Ti有更多电子供给晶格，为了保证电中性，要减少氧空位。
掺V/ Nb:降低氧空位
掺Co/Mn：磁性离子
BFO制备
BFO块体：普通固相烧结/快速液相烧结工艺/稀***过滤快速烧结工艺等。
BFO薄膜：常用的制备多铁纳米薄膜材料的方法大致可以分为物理法和化学法两大类。物理法包括激光脉冲沉积(PLD)，磁控溅射（MS)，离子束溅射沉积（IBSD)，分子束外延（MBE)等。化学法包括化学气相沉积(普通电化学气相沉积 (CvD)、金属有机化学气相沉积(MoCvD)及等离子体化学气相