铋系层状钙钛矿结构铁电材料研究现状
铁电材料的性能优化与应用研究
铁电材料的性能优化与应用研究铁电材料是一类具有特殊性能的功能材料，其主要特点在于能够在外电场的作用下保持具有长程有序的电偶极矩，且可逆地改变偶极矩的方向。
这种独特的性能使得铁电材料在信息存储、传感器、能量转换等领域具有广泛的应用前景。
一、铁电材料的结构与性能铁电材料的结构种类繁多，包括钙钛矿结构、层状结构、纤锌矿结构等。
其中，钙钛矿结构是最常见的一类。
钙钛矿结构的铁电材料具有较高的对称性和特定的晶体结构，能够使晶体内部分子或离子发生位移，从而产生极化现象，形成电偶极矩。
与传统的电介质材料相比，铁电材料具有更高的介电常数、压电常数和压电系数，这些特性使得铁电材料在数据存储器件、超声传感器、电声设备等领域具有广泛的应用潜力。
此外，铁电材料还具有非线性光学效应、光电效应、超导效应等特点，使其在光电子器件和能量转换领域也具备重要意义。
二、铁电材料性能优化的方法为了提高铁电材料的性能，人们进行了大量的研究和实践。
一种常用的方法是通过掺杂和合金化来改善铁电材料的性能。
例如，通过向铁电材料中引入适量的掺杂离子，可以有效地调控晶格结构，减小晶格畸变，增加晶体的稳定性和材料的铁电极化强度。
另外，改变铁电材料的晶体生长方式也是提高性能的关键之一。
晶体生长方式对铁电材料的微观结构和性质有着重要影响。
研究人员通过不同的生长方法和条件，控制晶体生长方向、大小和纯度，从而优化铁电材料的性能。
此外，研究人员还利用先进的材料制备技术，如溶胶-凝胶法、水热法和物理气相沉积法等，制备出具有优异性能的纳米铁电材料。
纳米铁电材料相比传统的铁电材料，在电子极化、介电响应和机械性能等方面表现出更加优越的性能。
因此，纳米铁电材料在改善器件性能、提高制备效率和降低成本等方面具有重要应用价值。
三、铁电材料的应用研究由于铁电材料具有极化效应和压电效应，因此在传感器和执行器的领域得到广泛应用。
铁电材料可用作超声波发射器和接收器，具有优异的频率范围和灵敏度，被广泛用于医学超声诊断、工业无损检测和水声通信等领域。
钛酸铋钠系列铁电薄膜的研究
钛酸铋钠系列铁电薄膜的研究李大吉，王亚平，李绍霞，王卓(烟台大学环境与材料工程学院，烟台 264005)摘要铁电薄膜材料、集成铁电器件以及与之相关的物理问题,多年来一直是物理学(特别是电介质物理学) 、材料科学与工程、微电子与光电子等领域的科学技术人员所关注的重要问题之一。
重点介绍了钛酸铋钠系列铁电薄膜及其掺杂的研究,同时介绍了笔者对钛酸铋钠薄膜掺杂钙、锶、钡的一系列研究工作。
关键字钛酸铋钠铁电薄膜掺杂The Study of Serial Na0.5Bi0.5TiO3 Ferroelctric Thin FilmLI Daji, WANG Yaping, LI Shaoxia, WANG Zhuo(The school of environment and materials engineering in Yantai University, Yantai, Shandong, 264005)Abstract Ferroelectric thin-film materials , integrated ferroelectric apparatus and correlative physics questions have been paid close attention to for many years by technical staff in physics(especially dielectric physics), material science and engineering , microelectronics and photoelectron scientific fields.The research of titanium bismuth sodium thin film and its doped series are introduced in details in the article.Meanwhile our serial study of titanium bismuth sodium thin films doping the calcium , strontium , barium are introduced.Key words Na0.5Bi0.5TiO3，f erroelctric t hin f ilm，d oping0 引言铁电薄膜是一类重要的功能性薄膜材料,多年来一直是铁电性研究和高技术新材料研究的前沿和热点之一，以铁电存储为代表的器件可望在微电子领域得到广泛的应用。
不同晶粒取向钛酸铋陶瓷的铁电和压电性能
硅酸盐学报· 312 ·2007年不同晶粒取向钛酸铋陶瓷的铁电和压电性能毛翔宇，王伟，王玮，陈小兵(扬州大学物理科学与技术学院，江苏扬州 225002)摘要：用固相烧结工艺制备了不同取向率(I)的Bi4Ti3O12(BTO)多晶陶瓷样品。
在相同的烧结温度(1140℃)，BTO样品的I随烧结时间(2～20h)的增加出现了先升高后降低的变化趋势，最大值达89.9%。
样品的铁电和压电性能均与样品的I有关，在a/(b)择优取向的BTO样品的铁电和压电性能都随样品I的升高而改善，其2倍剩余极化强度(P r)和压电系数(d33)分别达到53.4μC/cm2和22.2pC/N；c取向样品的2P r和d33则随着取向率的升高而降低。
关键词：钛酸铋陶瓷；晶粒取向；铁电性能；压电性能中图分类号：TQ174文献标识码：A文章编号：0454–5648(2007)–03–0312–05FERROELECTRIC AND PIEZOELECTRIC PROPERTIES OF BISMUTH TITANATE CERAMIC WITH DIFFERENT ORIENTATION DEGREES OF GRAINMAO Xaingyu，WANG Wei，WANG Wei，CHEN Xiaobing(College of Physics Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225002, Jiangsu, China)Abstract: Several polycrystalline bismuth titanate Bi4Ti3O12(BTO) ceramic samples with different degrees of grain orientation (I) were prepared using the solid state reaction. Under the identical temperature, when the sintering time (2—20h) increases, the I in-creases initially and reaches its maximum value of 89.9% then decreases. The ferro-and piezoelectric properties are dependent on the I. The two times of remanent polarization intensity (P r) and piezoelectric coefficient (d33) of a/(b)-orientation predominant BTO sam-ples increases with the increase of I and the maximum values are 53.4μC/cm2 and 22.2 pC/N, respectively, while the 2P r and d33 de-creases with the increase of I in c-orientation predominant ones.Key words: bismuth titanate ceramic; grain orientation; ferroelectric properties; piezoelectric properties目前，锆钛酸铅(Pb x Zr1–x TaO3，PZT)为基的材料作为压电陶瓷得到了广泛应用[1–4]。
铁电材料的特性及应用综述
铁电材料的特性及应用综述孙敬芝（河北联合大学材料科学与工程学院河北唐山 063009）摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁电材料是具有驱动和传感2 种功能的机敏材料, 可以块材、膜材(薄膜和厚膜) 和复合材料等多种形式应用, 在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场。
关键词：铁电材料；铁电性；应用前景C haracteristics and Application of FerroelectricmaterialSun Jingzhi( Materials Science and Engineering college, Hebei United University Tangshan 063009,China )Abstract:Ferroelectric material has good iron electrical, piezoelectric , pyroelectric and nonlinear optical properties, such as a driver and sensing two function piezoelectric materials, can block material, membrane materials (film and thick film) and the compound Material of a variety of forms such as application, in microelectromechanical and intelligent materials and structures in the system with vast potential application market.Keywords: ferroelect ric materials Iron electrical development trend0前言晶体按几何外形的有限对称图象, 可以分为32 种点群, 其中有10 种点群: 1, 2, m , mm 2, 4,4mm , 3, 3m , 6, 6mm , 它们都有自发极化。
钙钛矿型Pb基反铁电储能材料研究进展
铁磁电复合材料BiFeO3的研究及发展
目录摘要 (1)关键词 (1)Abstract (1)Key words (1)1引言 (1)2 BiFeO3的结构 (2)3 BiFeO3陶瓷与薄膜的制备工艺 (2)3.1 BiFeO3陶瓷的制备 (2)3.2 BiFeO3薄膜的制备 (3)4 掺杂改性 (4)4.1稀土掺杂改性 (4)4.2 BiFeO3与其他ABO3型钙钛矿结构的铁电材料固熔体系 (5)5 结论 (6)参考文献 (6)铁磁电复合材料BiFeO及研究进展3姓名：武少华学号：20075040098单位：物理电子工程学院专业：物理学指导老师：秦萍职称：副教授摘要：BiFeO3是一种室温下同时具有铁磁性和铁电性的铁磁电材料之一，在信息存储、传感器和自旋电子器件等方面都有潜在的应用前景。
本文综述了BiFeO3的结构、陶瓷与薄膜的制备工艺、掺杂改性，并展望了BiFeO3铁磁电材料今后的研究和发展趋势。
关键词：铁磁电材料；掺杂改性；磁电效应Progress in Study on Ferroelectromagnetics BiFeO3 Abstract: BiFeO3 is one of ferroelectromagnetics with ferromagnetism and ferroelec- tricity at room temperature，which has potential applications in the information storage，sensors，spin electronic devices，and other aspects．This paper not only discusses the struc- ture，ceramics and thin film technology，doped of BiFeO3，but also prospects BiFeO3 ferroelectromagnetics for future research and development trends．Keywords: Ferroelectromagnetics；Doped to change the nature；Magnetoelectric effect1 引言铁磁电材料是一种因结构参数有序而导致铁电性、磁性同时存在并具有磁电耦合性质[1]的材料，它在探索新型信息存储器、自旋电子器件和设备等方面有着潜在的应用前景。
含铋多元金属氧化物的研究现状
含铋多元金属氧化物的研究现状房国丽【摘要】含铋多元金属氧化物具有优异的铁电性、催化性、光催化性、离子传导性、高温超导性等,在数字存储、催化剂、固态电解液、气敏传感器、高温超导材料等方面具有潜在的广阔的应用前景.主要对含铋多元金属氧化物的制备方法、结构、性能和应用的研究现状进行了综述,并对含铋多元金属氧化物今后的研究方向进行了展望.%Bismuth containing heterometallic functional oxides has excellent ferroelectric,catalytic,optical catalytic,ion conductivity and high temperature superconductivity,etc.,thereby it is widely used in data storage media,catalyst,solid electrolyte,gas sensor,high-temperature superconducting materials and so on.In this paper,main preparation methods,structures,properties and potential applications of bismuth-containing heterometallic functional oxides have been reviewed,the trend of the research directions is prospected.【期刊名称】《宁夏工程技术》【年(卷),期】2011(010)004【总页数】7页(P309-315)【关键词】含铋多元金属氧化物;制备;结构;性能【作者】房国丽【作者单位】北方民族大学材料科学与工程学院,宁夏银川750021【正文语种】中文【中图分类】O614.532金属铋是一种重要的功能掺杂材料[1]，含铋的多元金属氧化物在离子传导性、催化性、铁电性、压电性、铁磁性、超导性和非线性光学等性能上表现出明显的优越性[2-9].同时，由于金属Bi是一种“绿色环保”材料，可以部分取代目前常用的铅、锑、镉等有毒元素，在微电子器件、光学元器件、催化剂、传感器、非易失性数字存储装置、洁净能源和高温超导等领域存在广阔的市场应用前景[1，7，10-11].近年来，随着科学与技术的发展，以及对材料和器件的持续微型化需求，从原子、分子水平上研究宏观材料的结构与理化特性成为当前的一个研究热点.这也促进了对含铋多元金属氧化物的结构与性能的研究.研究发现：铋层状结构化合物可能有良好的铁电性、压电性、铁磁性、离子传导性和高温超导性[10，12-13]，立方晶系的软铋矿结构的性能突出表现在光降解催化方面[14-15]，烧绿石结构衍生的含铋多元金属氧化物展现出优异的介电性能[11，16]等.本文对近年来含铋多元金属氧化物的研究工作做了分析和总结.1 含铋多元金属氧化物的制备含铋的多元金属氧化物种类繁多，表1中总结了其中比较典型的含铋多元金属氧化物的制备、结构、性能及其应用.从表1中可以看到，目前制备含铋多元金属氧化物的方法主要有固相法、沉淀法、有机前驱体热解法和水/溶剂热合成法.1.1 固相法固相法在多元金属氧化物的制备中，是使用范围最广的制备方法之一.这种方法最主要的特点就是以多种金属氧化物或容易分解成金属氧化物的前驱体为原料，按照预期化学计量比混合，进一步提供能量以发生相应的化学反应得到目标多元金属氧化物.采用固相法制备含铋的多元金属氧化物主要以氧化铋或氯氧化铋、硝酸铋等容易热分解得到氧化铋的前驱体为铋源，与一种或多种其他金属氧化物或其前驱体，按照预定的化学计量比混合，反应得到目标含铋多元金属氧化物.根据固相混合物化学反应过程中提供能量方式的不同，固相法又可以分为固相烧结法和机械化学法.传统的固相烧结法，通过高温烧结，以热能来促使前驱体的分解和化学反应的发生.这种方法在制备过程中需要数次的粉粹、碾磨、烧结来促进最终产物的成分、结构的均一性[48，77，84，86].但是，由于金属铋是一种易挥发元素，在高温烧结的过程中，可能引起铋元素的流失，最终导致杂质相的出现[87].相对于固相烧结法，机械化学法是通过机械能来促使氧化铋与其他金属氧化物发生化学反应，可以在良好的密封装置中、室温条件下进行.这在一定程度上减少了杂质相的引入[88]，且在不断的机械碾磨过程中，能有效控制产物的形貌和尺寸，并促进各种元素的均匀混合，可以用于制备含铋多元金属氧化物的超微粉[21，28，58].由于固相法可以根据目标产物的要求，设计不同金属元素的化学计量比，是目前制备含铋多元金属氧化物的最主要方法，对于少数含铋多元金属氧化物仍然是唯一被采用的方法.同时，氧化铋或容易分解成氧化铋的前驱体的纯度、尺寸及其分布范围，对固相法制备含铋多元金属氧化物的结构、性能有较大的影响.因此，获得高纯度、小尺寸且分布范围窄的氧化铋或容易分解成氧化铋的前驱体对于拓宽含铋多元金属氧化物的应用是非常必要的.表1 典型的含铋多元金属氧化物化学式Bi4Ti3O12结构Aurivillius型，层状钙钛矿结构性能半导体；铁电性；压电性；电光性；光学非线性应用数字存储；光学元器件；半导体材料参考文献[12，17-24]Bi12TiO20软铋矿结构Bi-Ti-OBi2Ti2O7 Na0.5Bi0.5TiO3 BiFeO3层状钙钛矿结构立方型钙钛矿结构钙钛矿结构光催化降解；全息照相数字存储数字存储压电材料；数字存储数字存储器；传感器；光电材料[7，14，20，22，25-26][22，24][24，27][28-34]Bi-Fe-O气敏传感器；催化剂——Bi-Cu-O Bi2Fe4O9 Bi25FeO39 Bi2CuO4 BiAlO3制备固相法；沉淀法；水热法；CVD法；有机前驱体热解法固相法；沉淀法；水热法沉淀法；水热法水热法固相法；沉淀法；有机前驱体热解法；溅射沉积法固相法固相法固相法；沉淀法；水热法固相法正交晶系四方晶系四方晶系光催化活性；铁电性；光电性铁电性；介电性压电性；铁电性；热电性铁电性；铁磁性；光电性；铁塑性；光学非线性；反铁磁性；多铁性反铁磁性；催化氧化——氧离子传导性；反铁磁性；催化性铁电性；介电性气敏传感器；透氧材料；催化剂数字存储[33，35][36][37-41][6，42]Bi-Al-O Bi24AlO39[43-44]Bi2Al4O9 BiVO4[6][3，45-47]Bi-V-OBi4V2O10+x(x=0.5，1)固相法；有机前驱体热解法固相法固相法；水热法；有机前驱体热解法固相法；沉淀法[48-49]BixV8O16(1.72≤x≤1.80)Bi2MoO6固相法固相法；熔盐法；沉淀法；有机前驱体热解法铁电性；光催化活性——光催化活性；离子传导性；催化性离子传导性——光催化活性；催化性；离子传导性[50][3，51]Bi-Mo-O Bi2Mo2O9 Bi2Mo3O12六方晶系，类钙钛矿结构立方晶系，软铋矿结构正交晶系四方晶系；正交晶系；单斜晶系Aurivillius型，层状结构Hollandite结构Aurivillius型，正交晶系，层状结构；单斜晶系单斜晶系单斜晶系催化性催化性数字存储；光催化降解——光催化降解；环保颜料；固态电解液；催化剂固态电解液；氧隔膜；气敏传感器——光催化降解；催化剂；气敏传感器；固态电解液催化剂催化剂[3，52][3，53]nBi2O3·mMoO3固相法；沉淀法固相法；沉淀法；有机前驱体热解法固相法；熔盐法催化性；氧离子传导性[3，54-55]Bi-W-O Bi2WO6固相法；水热法[3，56-58]BiMnO3固态电解液；气敏传感器；催化剂数字存储；催化剂；光降解催化数字存储[59-60]Bi-Mn-O Bi2Mn4O10萤石型δ-Bi2O3相关结构Aurivillius型，正交晶系，层状结构三斜晶系；单斜晶系，钙钛矿结构；立方晶系正交晶系铁电性；光学非线性；催化性；光催化活性铁电性；铁磁性；反铁磁性；金属型铁磁性；铁电性；催化性数字存储；催化剂[61-62]Bi12GeO20固相法；溅射沉积法；喷雾热解法固相法；沉淀法；水热法；溅射沉积法有机前驱体热解法光催化降解[63-64]Bi-M-O（M=Ge，Si）Bi4M3O12熔盐法立方晶系，软铋矿结构立方晶系光催化活性；光电性；压电性光学非线性；光致发光[65-66]非线性光学元件；成像传感器光降解催化数字存储固相法有机前驱体热解法[67][68-70]钙钛矿结构Aurivillius型，层状结构钙钛矿结构立方晶系Aurivillius型，层状结构；萤石型δ-Bi2O3相关结构；等Bi-Zn-O Bi-Ba-O BaBiO3 Ba(BiM)nO4n+1(MⅤ=Nb，Ta，Sb)BaBi3O5.5 ZnBi12O20光催化活性铁电性[2][15]Bi2O3-MOx-X2O5(MⅡ=Mg，Mn，Cu，Co，Ni，Pb，Zn，Pd，Ca，Sr，Cd，Na0.5Bi0.5，等；MⅠ=Na；MⅣ=Ti；XⅤ=P，V，As)Bi2O3-MO-N2O5(MⅡ=Sr，Ba，Zn，Ca，Lu；NⅤ=Ta，Nb)Bi-Sr-Ca-Cs-O固相法固相法固相法；沉淀法；水热法氧离子传导性光催化活性铁电性；氧离子传导性；催化性；反铁磁性；碱性离子传导性固态电解液光降解催化固态电解液；催化剂；数字存储；离子交换膜；颜料[71-78]固相法；有机前驱体热解法铁电性；光催化活性；压电性；热电性；超导性[68，79-83]固相法Aurivillius型，层状钙钛矿结构；立方型，烧绿石结构层状结构超导性；铁磁性数字存储；光降解催化；压电材料；超导材料超导材料[8，84-85]1.2 金属有机前驱体热解法金属有机物前驱体热解法，是通过铋阳离子配合物与其他金属阳离子配合物的混合，进一步将混合物高温分解，得到相当的含铋多元金属氧化物.一般形成阳离子配合物的碳氢化合物主要有醇类、羧酸类、芳香类和羧酸酯等，例如：乙二醇、聚乙二醇、柠檬酸、草酸、冰醋酸、丙酸酯等.这是因为它们的热分解温度一般低于400℃，并且所包含的元素为碳、氢和氧，不包含其他热解过程可能生成有毒物质的元素，如硫、卤素等，与环境有很好的相容性[1,89].常用的金属有机物前驱体热解法，主要包含Sol-Gel法和化学气相沉积法.在含铋多元金属氧化物的合成中，Sol-Gel法被广泛采用[9，14，25，30，53，63，70，90-92].这是由于Sol-Gel法的反应温度相对较低，且有机配合物的模板作用可以有效控制最终产物的形貌和尺寸，所得产物分散性好、比表面积较大.因此，在Bi-Mo-O，Bi-Ti-O，Bi-W-O，Bi-M-Nb-O 等具有催化性或光催化活性的纳米粉体材料和二维薄膜材料的制备中，Sol-Gel法受到越来越多的关注.随着科学与技术的发展，一些新的Sol-Gol法，如化学溶液沉积、原子层沉积法等，可以形成新型的复合有机前驱体，在含铋多元金属氧化物的制备中被广泛采用.化学气相沉积法，以及金属有机化学气相沉积法主要应用于二维薄膜材料的制备[93].但是这种方法在合成过程中需要控制不同气氛的分压，且容易在目标含铋多元金属氧化物中出现杂质相.1.3 水/溶剂热合成法广义地讲，水热和溶剂热合成方法均为溶剂热合成方法.水热反应是以水为反应介质的溶剂热反应，是溶剂热反应的早期发展阶段.除水热体系外，溶剂热方法按所使用溶剂的不同，可分为不同的体系，如苯热体系、醇热体系以及混合体系等.由于溶剂热合成反应在密闭的容器中进行，不容易引入杂质相，且反应温度、压力、处理时间、溶液成分、pH值以及前驱物、矿化剂等可随意调节，可以实现对反应过程的控制，进而实现对产物形貌和结构的可控合成.特别是可用于亚稳相的合成，这是普通液相合成法常常难以实现的.因此在含铋的多元金属氧化物中，溶剂热合成法被广泛采用，尤其是具有催化或光催化活性的Bi-Ti-O，Bi-V-O，Bi-W-O和Bi-Cu-O纳米材料的合成[45-46，94-97].除上述几种常用方法外，激光脉冲电沉积法、气溶胶热解法、磁控溅射沉积法等，近年来也被用于含铋多元金属氧化物的制备中.2 含铋多元金属氧化物的结构和性能对含铋多元金属氧化物功能材料性能方面的研究，在相当长的时间里集中在超导性上.直到近些年，含铋多元金属氧化物功能材料在铁电性、热电性、铁磁性、催化性、离子传导性和光学非线性等性能方面的研究才得到更多的关注.结果表明，含铋多元金属氧化物具有优异的物理、化学性能，这些性能与微观晶体结构密切相关.2.1 铁电性和铁磁性铋层状结构铁电材料具有较好的抗疲劳性能，可能承受1012次的存取[97]；较高的居里温度，例如Bi4Ti3O12的Tc≈675 ℃，BiFeO3的Tc≈850 ℃；以及较大的剩余极化和较小的矫顽力.因此，在非挥发性随机数字存储器、高介电常数电容器、压电变频器、热电传感器等领域有广泛的应用前景.Aurivillius结构的含铋多元金属氧化物是铋层状结构铁电材料的最主要组成部分.Aurivillius结构的化学通式为(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-，是由类钙钛矿结构的(Am-1BmO3m+1)2-和(Bi2O2)2+沿c轴交替排列构成.其中，m为每两个(Bi2O2)2+之间的类钙钛矿层中氧八面体BO6的个数，一般≤6，且氧八面体BO6是影响铋层状结构铁电材料铁电行为的主要因素.因此，常通过A位或B位掺杂来改善具有Aurivillius结构铁电材料的铁电性能：A一般为+1，+2和+3价离子，例如 Bi3+，Ba2+，Sr2+，K+等；B 一般为+3，+4，+5 和+6 价离子，例如 Ti4+，Ta5+，Nb5+，W6+等.此外，这种含铋多元氧化物的Aurivillius层状结构在c轴的晶格参数明显大于在a轴和b轴的晶格参数，这导致了明显的结构和性能上的各向异性，不仅对铁电性能，而且对压电、热电性能等也都有较大的影响[12，79，88].具有Aurivillius结构的含铋多元金属氧化物铁电材料主要有 Bi4Ti3O12，Bi2VO5.5，Bi2MoO6，Bi2WO6，CaBi4Ti4O15，SrBi4Ti4O15，PbBi4Ti4O15，Bi3TiNbO9，SrBi2Nb2O9，BaBi2Ta2O9 和SrBi2Ta2O9 等[12，17，23，49，51，57，68，70，88].其中，对Bi4Ti3O12系铁电材料的研究相对较多，常常通过A位掺杂La系，或B位掺杂V5+，Nb5+，W6+等来提高Bi4Ti3O12的抗疲劳性能和剩余极化，降低矫顽电场，进而改善Bi4Ti3O12系铁电材料的铁电性能. 另外，具有类钙钛矿结构的含铋多元金属氧化物是铋系铁电材料另一重要组成部分，例如：BiFeO3，BiMnO3，BiAlO3和 BiGaO3等.同时，钙钛矿结构的BiFeO3(TN≈370℃)和单斜的BiMnO3不仅具有优异的铁电性能，而且具有铁磁性和反铁磁性，是潜在的多铁性材料[31，59-60].2.2 催化和光催化活性Bi-Mo-O系多元金属氧化物由于具有较高的催化活性和较好的选择性，被广泛用于烯烃及其他碳氢化合物的氧化、氨解氧化、脱氢氧化等过程中，例如：丙烯、丙烯醛、丙烯腈、异丁烯醛等的合成，以及有机染料催化合成CO2小分子等[3，91，98].大量的研究表明，铋钼酸盐有多种结构，随结构的不同，催化性能有明显的差异，这可能与不同结构的铋钼酸盐中氧元素在晶格中扩散速率的不同密切相关.一般认为，γ-Bi2MoO6的扩散速率最大，β-Bi2Mo2O9的扩散速率比α-Bi2Mo3O12的扩散速率要大一些[52-53]，通过掺杂等方式可以改善铋钼酸盐的催化性[91].在光催化降解有机染料方面，软铋矿结构的Bi24AlO39，Bi12TiO20，Bi12GeO20，Bi12ZnO20等，以及层状结构的Bi2WO6等，相对于常用的TiO2系光催化剂，它们的禁带宽度明显小于TiO2的禁带宽度3.2 eV，例如：Bi2WO6的禁带宽度为2.68 eV，Bi24AlO39的禁带宽度约为2.46eV，Bi12TiO20的禁带宽度约为2.4eV，Bi12GeO20的禁带宽度约为2.63 eV.因此，其不仅在紫外光照条件下具有光催化活性，在可见光照射下仍具有良好的光催化性能[14，44，56].其中，比较具有代表性的研究，如：Junwang Tang等以Bi12ZnO20为光催化剂，可见光（λ＞440 nm）照射0.5 h后，约42%的乙醛降解为CO2，当照射时长为12 h时，乙醛几乎完全降解[15]；Hongbo Fu等通过水热法制备的Bi2WO6纳米粉，在可见光照射下对罗明丹B的光催化降解率明显高于TiO2-xNx[56]；Chihuan He等的研究表明，比表面积为5.32 m2/g的Bi12GeO20与比表面积为50 m2/g的P25，在UV-vis光照射下对甲基橙的光催化降解速率相当[63].2.3 离子传导性氧化铋(Bi2O3)本身由于具有多种晶体结构，而表现出不同的物理化学特性.其中，面心立方结构的δ-Bi2O3存在大约1/4的阴离子空位以及含孤对电子的Bi3+阳离子，这些可能导致了在晶格中较高的空位迁移率，进而使得其离子传导率相对于常用的氧化锆系高约2个数量级.但是δ-Bi2O3只能在730℃至Bi2O3的熔点824℃之间稳定存在[48-49].因此，常通过掺杂其他元素来得到满足实际应用的、相对稳定且具有较高离子传导性能的萤石型结构或类萤石型结构的含铋多元金属氧化物，例如：Bi2CuO4，BiVO4，Bi4V2O10.5，Bi2MoO6，BaBi3O5.5 等.但是，含铋多元金属氧化物的离子传导性一般低于纯δ-Bi2O3的离子超导性，通过掺杂来改善含铋多元金属氧化物的离子传导性及其在固态电解液、气敏传感器等领域的应用，成为类萤石结构的含铋多元金属氧化物的一个研究热点.2.4 光学非线性光学非线性是指由光致折射率改变或光致吸收系数改变而产生的一类非线性响应.一些氧化铋基的多元金属氧化物具有明显的光学非线性响应，且其中Li-Zn-Bi-O系[99-100]具有与常用的TeO2基功能材料相当的三阶非线性极化率.但是，对这方面的研究开展的较少.尤其纳米级粉体对光学三阶非线性极化率可能有较大的影响，这对三阶非线性光学器件的研究有较大的价值.2.5 高温超导性在20世纪90年代之前，对铋系高温超导材料的研究在含铋多元金属氧化物功能材料的研究中占有绝对的优势.Bi-Sr-Ca-Cu-O系高温超导材料是目前研究最多的高温超导体系之一，其中的（Bi，Pb）-Sr-Ca-Cu-O系高温超导材料的临界温度可以高于110 K.对Bi-Sr-Ca-Cu-O系高温超导材料的结构模型，一般认为是BiO-SrO-CuO-CaO的层状堆垛：由包含n个CuO2层的类钙钛矿层和2个BiO层的交替排列构成的层状结构.常见的Bi-Sr-Ca-Cu-O系高温超导材料相主要有Bi-2201，Bi-2212和Bi-2223等 3 类.其中，n 分别为 1，2 和 3[101]. 通过 Pb2+，Sb3+，B3+的 Bi3+位掺杂[102-103]，Ba2+，Ln2+或 Sr2+的 Ca2+位掺杂（Ln=La，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Dy，Y 等）[104-105]，Mn3+的Cu2+位掺杂等[106]，可以提高Bi-Sr-Ca-Cu-O系高温超导材料的临界温度.研究比较多的Pb2+的Bi3+位掺杂，一般认为Pb2+部分取代Bi3+改善了铋系高温超导材料的稳定性，并且提高了临界电流密度和系统的不可逆场.但是也有研究者认为这种取代是减小了c轴的长度以及被掺杂材料的各向异性特性，从而改善了铋系高温超导材料的临界温度和电流密度[107].3 结论综上所述，含铋多元金属氧化物随结构的不同，在铁电性、铁磁性、催化性、光催化性、离子传导性、高温超导性等方面表现出优异的物理、化学性能，在数字存储、微电子陶瓷、精细化工、环境保护、高温超导材料等方面潜在广阔的应用前景.但是，受含铋多元金属氧化物材料本身稳定性和制备条件的限制，还存在以下一些问题.(1)由于固相法是目前制备含铋多元金属氧化物的最主要方法，对于少数含铋多元金属氧化物甚至是唯一的方法，控制合成纯度高、尺寸小且分布范围窄的氧化铋或容易热解得到氧化铋的化合物有助于含铋多元金属氧化物的结构和性能的提高.但是氧化铋包含多种形态和结构，各种不同氧化铋的形貌、结构和性能之间的联系尚需进一步深入系统的研究.(2)含铋多元金属氧化物由于特殊的层状结构和适当大小的禁带宽度，在催化性和光催化性能方面表现出明显的优越性，增大比表面积有利于其催化性和光催化性能的提高，但是在大比表面积的这种材料制备方面仍存在很大的不足.(3)在铁电性、离子传导性和高温超导性方面，通过表面修饰、掺杂、结构改善等手段提高这些含铋多元金属氧化物功能材料的性能仍需要做进一步的研究.【相关文献】[1] MEHRING M.From molecules to bismuth oxide-based materials：potential homo-and heterometallic precursors and model compounds[J].Coord Chem Rev，2007，251（7/8）：974-1006.[2]ESMAEILZADEH S，BERASTEGUI P，GRINS J，et al.Crystal growth and structural investigations of the oxygenion conductor BaBi3O5.5[J].J Solid State Chem，2000，152（2）：435-440.[3]ARORA N，DEO G，WACHS I E，et al.Surface aspects of bismuthmetal oxidecatalysts[J].J Catal，1996，159（1）:1-13.[4]NEWNHAMA R E,WOLFEA R W,DORRIANA J F.Structural basis of 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Bi4Ti3O12层状铁电薄膜的结构与性能研究
王 小平 等 ： Ｔ。 层 状 铁 电薄 膜 的结 构 与性 能 研 究 凰 ｉ 。 ０
Ｂ４ ３ ２ 状 铁 电薄膜 的 结构 与 性 能 研 究 ｉ 层 Ｏ１ Ｔｉ
王 小平 ， 朱 俊 ， 罗文博 ， 张 鹰 ， 李言 荣
（ 电子科 技 大学 微 电子 与 固体 电子 学 院 ， 四川 成 都 ６ 有 高存 取 速度 和 高 存储 密度 、 抗辐射 、 挥 发 等 优 点 ， 到 了人 们 的 广 泛 关 注 ［ｚ 不 受 １］ ．。 随着铁 电存储 器 性 能 的提 高 ， 求 薄 膜 材 料 的 性 能进 要
图 １ Ｂ 系层 状 氧化 物 ＢＴ 的结 构示 意 图 ｉ Ｉ 特性不佳 ， 后者 自发极化 较小 且制 备温度过 高口 ］ 州 。 Ｆｉ ｔ ｕ ｔ ｒ ｃ ｅ ｔｃｏ ｉｍ ｕ ｈ ｌｙ ｒｄ ｆｒｏ — ｇ １Ｗ ｒ ｃｕ ｅｓ ｈ ｍａ ｉ ｆｂｓ ｔ ａ ｅ ｅ ｅｒ ｅ 近年来 以 Ｂ ｉ （ Ｉ 为 基础 的 系列层 状材 料 引起 ｉ 。 ＢＴ） Ｔ Ｏ ｌｃｒｃ ｅ ｔｉｓ 人们的极大兴趣 ： 这种材料无污染、 抗疲劳特性好， 具 有较 大 的 自发极 化 、 低 的 制 备 温度 以及 较 高 的居 里 ２ 实验 方 案 较 温度 ， 是很 有应用 前景 的铁 电薄膜 材料 Ｕｓ。 ， ３ 本实 验使 用 由沈 阳 中科 仪器 公 司生产 的激光 脉 冲 Ｂ Ｔ为铋 系 层 状钙 钛 矿 结 构 ， 图 １ 示 。其 中 沉积 系 统 和 德 国 Ｌ Ｉ 如 所 ＡＭＢ Ａ ＨＹＳＫ 公 司 生 产 的 Ｄ Ｐ Ｉ ［Ｂ ） 是 一 个 准 平 面 结 构 ， Ｂ ｉ ２ 是 以 Ｔ Ｃ ＭＰ Ｘ ２ １ Ｋｒ 分子激 光 器 （ 一２ ６ ｍ） － ｉ 抖 （ Ｏ ［ ｉ ０］ － Ｔ ０， ｉ Ｏ Ｅ －０ 型 Ｆ准 ５ ｎ 进行 元素 为 体 心 的 准 氧 八 面 体 结 构 ， 结 构 单 元 即 以 薄膜 的制 备 。 其 ［Ｂｚ ） 为 上 下平 面 ， 间夹 着 ３个 ［ ｉ ｉ ］ － ｉ 抖］ （ Ｏｚ 中 － Ｂ Ｔ Ｏｉ 考 虑 到铁 电薄 膜 与 半 导 体工 艺 的集 成关 系 ， 我们 结 构的 氧八面 体 。其 晶格 常数 ｎ ． ４ ｎ ６ ． ４ 选 择商 业化 的 Ｐ ／ ｉ ＳＯ ／ ｉ 一０ ５ １ ｍ， —０ ５ ４ ｔ Ｔ Ｏ ／ ｉ ｓ 衬底 。为 了研 究 氧气 ｎ ｃ ３ ２ ０ ｍ。Ｂ Ｔ 沿 ａ轴 或 ｂ轴 的 极 化 强 度 较 氛对 Ｂ Ｔ薄 膜生 长 的影 响 ， 衬底 温 度 ６ ０ 流 动氧 ｍ，一 ． ８ ｎ Ｉ Ｉ 在 ０ ℃、 大 ， ｃ 的极化 强度 没有 或很 小［ 。。即 Ｂ Ｔ薄膜 ｃ 沿 轴 ｇ 。 Ｉ 压 分 别 为 ２ ～ ３Ｐ Ｏ ５ ａ时 进 行 ＢＴ 氧 压 系 列 薄 膜 的 制 Ｉ 轴取向度越高， 剩余极化强度就越小 ；（） ｎ ６ 轴取 向度越 备 。为 了 研 究 温 度 对 薄 膜 生 长 的 影 响 ， 流 动 氧 压 在 高， 剩余极化强度就越大［， 。 １１ １２ ］ ３Ｐ 、 ０ ａ衬底 温 度分别 为 ５ ０ ７０ ５￣ ０ ℃时制 备 Ｂ Ｔ温度 系 Ｉ 人们对 这种 材料 进 行 了大 量 的 研 究 ， 如 何 改 善 列 薄膜 。其 它实 验 条 件 为激 光 能量 １０ｒ 生长 频 率 但 ５ｒ Ｊ，
Bi层状
铋层状材料的介电弛豫机制研究摘要本文以BaBi2Nb2O9(BBN)为研究对象，通过不同含量的Sm取代其A位的Ba离子以及氧化铋层中的Bi离子，研究了Sm离子含量对BBN陶瓷晶体结构、微观形貌以及介电性能的影响。
通过XRD和SEM分析表明，钐离子的引入没有改变体系的晶体结构，促进了体系的晶体生长；其介电性能测试表明:体系的居里温度随着钐离子含量的增加而逐渐减小，同时其介电常数峰随着测试频率的增加逐渐减小，并且向高温方向移动，这是明显的弛豫铁电体的特征；最后，对体系的介电弛豫机制进行了简单的讨论。
关键词：铋层状结构；介电弛豫性能；BaBi2Nb2O9Study of structure and dielectric properties of Bi-layer structure materialsAbstractIn this paper, the influence of Sm ions substituted Ba and Bi ions on the crystal structure, microstructure and dielectric properties of BaBi2Nb2O9 ferroelectric ceramics was studied. The crystal structure of Ba1-x Sm x Bi4Nb4O15 and BaBi4-x Sm x Nb4O15ferroelectric ceramics was not changed with the Sm content increasing by the X-ray diffraction analysis (XRD). The grains size were gradually lager with the Sm content increasing by the scanning electron microscopy (SEM). The dielectric properties analysis indicated that the Curie temperature of BBN ceramics was degraded gradually with the Sm content increasing. Furthermore, the peak dielectric constant of BSBN and BBSN was increased with the testing frequency increasing, and moved to the higher temperature, which indicates that the BBT ferroelectric ceramic belongs to the relaxor ferroelectric. Finally, the mechanism of the relaxor behavior was discussed.Key Words:Bi-layer structure; Dielectric properties; BaBi2Nb2O91 绪论1.1铋层状结构材料1.1.1 铋层状钙钛矿结构材料的结构特点铋层状结构的化合物中有许多具有压电性，具有居里温度高、自发极化较高、压电性能和介电性能的各向异性大等特点，如Bi4Ti3O12、Bi3TiNbO9、Bi2WO6等，因此该体系的材料具有很大的应用前景[1]。
《2024年BiFeO3基固溶体薄膜的铁电光伏效应及调控机理》范文
《BiFeO3基固溶体薄膜的铁电光伏效应及调控机理》篇一一、引言随着现代科技的发展，铁电材料因其独特的物理性质和潜在的应用价值，在信息存储、传感器、光伏器件等领域得到了广泛的研究。
BiFeO3（BFO）作为一种典型的铁电材料，其固溶体薄膜因具有优异的铁电、压电和光电性能，成为了当前研究的热点。
本文将重点探讨BiFeO3基固溶体薄膜的铁电光伏效应及其调控机理。
二、BiFeO3基固溶体薄膜的铁电性BiFeO3是一种具有钙钛矿结构的铁电材料，其铁电性源于其特殊的晶体结构和电子结构。
通过与其他氧化物形成固溶体，可以进一步优化BiFeO3基薄膜的铁电性能。
固溶体薄膜中的离子替代和掺杂可以改变材料的晶体结构，进而影响其铁电性能。
三、BiFeO3基固溶体薄膜的铁电光伏效应铁电光伏效应是指铁电材料在特定条件下产生的光生电压或电流。
BiFeO3基固溶体薄膜具有明显的铁电光伏效应，其产生机制主要与材料的铁电畴结构、能带结构和光吸收特性有关。
在光照条件下，光生载流子在铁电畴壁处产生分离和传输，从而产生光生电压或电流。
四、BiFeO3基固溶体薄膜的铁电光伏效应调控机理（一）成分调控通过改变固溶体薄膜中的元素组成和比例，可以调控材料的晶体结构和能带结构，进而影响其铁电光伏效应。
例如，通过掺杂不同价态的离子，可以调节材料的载流子浓度和能级分布，从而优化其光电性能。
（二）结构调控结构调控主要通过改变材料的晶体结构、晶粒尺寸和微观形貌来实现。
例如，通过控制薄膜的沉积条件，可以制备出具有不同晶体结构和形貌的BiFeO3基固溶体薄膜，从而优化其铁电光伏性能。
（三）外场调控外场调控包括电场、磁场和光场等。
通过施加外场，可以改变材料的铁电畴结构、能带结构和光吸收特性，从而调控其铁电光伏效应。
例如，通过施加电场可以改变材料的极化状态和畴壁结构，进而影响其光生载流子的分离和传输。
五、结论BiFeO3基固溶体薄膜具有优异的铁电、压电和光电性能，其在光伏器件、传感器等领域具有广泛的应用前景。
铋层状结构压电陶瓷结构,性能及导电机理的研究
铋层状结构压电陶瓷结构,性能及
导电机理的研究
铋层状结构压电陶瓷结构是一种新型的压电陶瓷，它具有良好的电气性能、小体积、低成本和低噪声等优点。
它的结构主要包括多层铋片组成的表面结构和由铋粉组成的内部结构。
在表面结构中，铋片可以有效地提高压电陶瓷的强度和耐磨性；而在内部结构中，铋粉可以有效提高压电陶瓷的电性能。
铋层状结构压电陶瓷的性能主要取决于铋片的厚度、铋粉的粒度和含量等因素。
研究表明，当铋片厚度较大时，压电陶瓷的电阻值会减小，从而提高其电性能；而当铋粉粒度较小、含量较高时，压电陶瓷的电阻也会减小，从而提高其电性能。
铋层状结构压电陶瓷的导电机理主要是由铋粉中的铋离子所引起的，由于铋离子具有较大的移动电荷，因此，当压力作用于铋层状结构压电陶瓷上时，铋离子可以很容易地穿过铋层，从而改变其电性能。
铋行业现状和发展
铋行业现状和发展铋是一种重要的金属元素，具有良好的导电能力、耐腐蚀性和高温稳定性。
在电子、冶金、化工等领域有广泛的应用。
下面将从铋行业的现状和发展两个方面进行分析。
一、铋行业的现状1. 市场需求稳定增长：随着经济的发展和科技的进步，电子、冶金、化工等行业对铋的需求不断增长。
特别是在电子领域，铋材料被广泛用于制造电容器、半导体材料等，对市场需求的稳定增长起到了积极的推动作用。
2. 产能扩张和技术进步：近年来，中国的铋产能逐步扩大，已经成为全球铋产量最大的国家。
同时，铋行业也在不断进行技术改进和创新，提高了生产效率和产品质量。
3. 市场竞争激烈：由于市场需求稳定增长，铋行业的竞争也日益激烈。
国内外的企业纷纷进入铋行业，增加了市场竞争的压力。
4. 环境压力增大：铋的开采和冶炼过程会对环境造成一定的污染。
随着环境保护意识的提高以及政府对环境治理力度的增加，铋行业面临着更多的环境压力。
二、铋行业的发展趋势1. 产业整合和提质增效：面对竞争激烈的市场环境，铋行业将加强产业整合，提高企业间的协同效应和资源利用率。
同时，通过技术改进和创新，提高产品质量和降低生产成本，实现提质增效。
2. 环保技术应用：为了减少对环境的污染，铋行业将加大对环保技术的研发和应用。
例如，引入先进的污染治理设备，减少废气和废水的排放，降低对环境的影响。
3. 拓展应用领域：除了传统的电子、冶金、化工等领域，铋行业还可以向新的应用领域拓展。
例如，在新能源和节能环保领域，铋材料可以用于制造太阳能电池、高能量密度电池等，满足不断增长的市场需求。
4. 多元发展战略：为了降低风险和实现可持续发展，铋行业将采取多元化的发展战略。
通过开发多种产品和提供多元化的服务，降低对特定市场的依赖，增加企业的竞争能力。
总的来说，铋行业在市场需求的推动下保持了稳定增长，并且面临着竞争激烈和环境压力增大的挑战。
为了实现可持续发展，铋行业将加大技术改进和环保措施的应用，拓展应用领域，并采取多元化发展战略。
钛酸铋基铁电薄膜研究进展
佳， 后者 制备 温度过 高 （５￣ ８０ ， ７ ０ ５ ℃） 剩余 极化 较 小 （ ４
～
２ 薄 膜 材 料 的 制 备
２ １ ａ轴方 向外 延薄 膜 的 制备 ． 高密度 存 储 器 件 要 求 薄 膜 功 能 具 有 高 度 的稳 定
性［ ， 以近 年来 可定 向生 长 的 ， 能稳 定性 高 的外 延 ５所 ］ 功
维普资讯
张端明 等 ： 钛酸铋基铁 电薄膜研究进展
钛 酸 铋 基 铁 电薄 膜研 究 进 展
张端 明 杨 斌 ｈ ， ， 。魏 念 李智 华 郑 朝 丹 ， 云 翼 ， ， ， 吴
郭冬 云 王 龙 海 杨 卫 明 ， ， ， 王耘 波 高俊 雄 于 军 ， ，
的多 晶薄膜 的制 备研 究 也是 人们 关 注 的热点 。
Ｂ Ｔ的 自发极 化 主要 沿 ａ轴 方 向 ， 了得 到较 大 Ｉ 为
的剩余 极化 ， 制备 轴 方 向 的外 延 薄 膜 是 关键 Ｌ 。Ｔ． ７ ］ Ｗａａ ａ ｅ 人［ 指 出 ， 图 ２所 示 ， 型 结 构 的 导 ｔｎ ｂ 等 ８ ］ 如 ］钛 体氧化 物 ， Ｔ Ｏ 、ｒ ， ［ Ｏ ３ Ｅ Ｌ ３ 向上 的 如 ｉ ＩＯ 等 其 １Ｔ 和 Ｏ Ｏ 方
Ｂ（） ｉ １
制备 了 “取 向的 ＢＴ 薄 膜 ， 剩 余 极 化 ＞ ２＃ ／ｍ Ｉ 其 ０Ｃ ｃ 。
Ｈｉ ｆｍｉ ｔｕ ａ等 人 用 Ｃ Ｄ方 法 在 Ｉ（ ） Ｔ ／ ｒ ｕ ｓｄ ｏ Ｍａ Ｓ ｒ １ ／ ｉ １ １
Ｓ０：ｓ 上生 长 了 轴 取 向的掺 Ｐ （ ； ． ） Ｂ Ｔ薄 ｉ ／ｉ ｒ ； ０ ３ 的 Ｉ ＝
般条 件下 制 得 的 薄 膜 都 是 多 晶薄 膜 ， 余极 化 剩 与其取 向有 着密 切 的关 系 ， 以近 年 来 有关 择 优 取 向 所
铋层状氧化物单晶薄膜多铁性研究进展
铋层状氧化物单晶薄膜多铁性研究进展翟晓芳;云宇;孟德超;崔璋璋;黄浩亮;王建林;陆亚林【摘要】室温单相多铁材料非常稀缺,磁性元素掺杂的铋层状钙钛矿结构Aurivillius相氧化物是一类重要的单相室温多铁材料,但由于缺少单晶类样品,这一类多铁材料研究主要是围绕多晶类块体或者多晶薄膜展开,它们的磁、电等性能研究大都采用宏观探测方式,因此这类多铁材料的多铁性机理研究进行得非常困难.近年来在高质量单晶薄膜的基础上,研究了多种磁性元素掺杂和不同周期结构的铋层状氧化物多铁单晶薄膜.这些单晶薄膜在室温下大都具有层状面面内方向的铁电极化,以及比较小的室温磁化强度,低温区存在第二个磁性相变.通过X射线共振非弹性散射实验发现元素掺杂会改变金属和氧原子之间的氧八面体晶体场的劈裂,能够增强铁磁性.另一方面,通过极化中子反射实验发现薄膜主体的磁化强度远小于通常探测的宏观磁化强度,说明单晶薄膜中磁的来源及其磁电耦合机理和多晶块体很可能是不同的.铋层状单晶薄膜的多铁性对未来继续改善这类材料的多铁性能有很好的指导作用.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)015【总页数】17页(P322-338)【关键词】铋层状氧化物;多铁;单晶薄膜;磁性【作者】翟晓芳;云宇;孟德超;崔璋璋;黄浩亮;王建林;陆亚林【作者单位】中国科学技术大学, 合肥微尺度物质科学国家研究中心, 合肥 230026;中国科学技术大学, 合肥微尺度物质科学国家研究中心, 合肥 230026;中国科学技术大学, 合肥微尺度物质科学国家研究中心, 合肥 230026;中国科学技术大学, 合肥微尺度物质科学国家研究中心, 合肥 230026;中国科学技术大学, 国家同步辐射实验室, 合肥 230026;中国科学技术大学, 国家同步辐射实验室, 合肥 230026;中国科学技术大学, 合肥微尺度物质科学国家研究中心, 合肥 230026;中国科学技术大学, 国家同步辐射实验室, 合肥 230026【正文语种】中文1 引言当某一种材料中同时出现两种或两种以上的铁性序,如铁电性、铁磁性、铁弹性等,且这些铁性序之间存在相互耦合时,我们称之为多铁性材料[1−3].在这类多铁性材料中,可以实现电场对材料的磁性能进行调控,和(或)磁场对材料的铁电性能进行调控.因其在量子多态存储等现代量子技术中的潜在应用价值,引起了科学工作者的广泛关注.多铁性物理最早开始于朗道的对称性破缺唯象理论,即时间反演与宇称反转对称性的双重破缺[4].之后近半个世纪的研究中,包含Cr2O3和Pb(Fe1/2Nb1/2)O3等在内的化合物,表现出来的磁电耦合都较弱,这段时期多铁性研究可以说是平淡无奇[5].2000年开始,Spaldin提出了“为什么磁性铁电体如此之少?”这一问题,敲开了多铁物理研究的复兴之门[6,7].Spaldin指出基于3d过渡金属的铁电性与铁磁性来源具有互斥性(通常铁电性要求3d轨道是空轨道,而铁磁性要求3d轨道是部分电子占据).2003年,Ramesh在BiFeO3薄膜上的研究工作引发了多铁性研究的热潮[8,9].BiFeO3,LuFe2O4和六角铁氧体以及锰酸盐等单相多铁性材料表现出了显著的研究价值[10−16],但通常它们需要低温环境.另一方面,复合型多铁材料,如庞磁阻锰氧化物和钛氧类铁电材料等复合在一起的异质结或者多层膜结构,在室温下具有较弱的磁电耦合性[6,17−22].因此,探索和发展新的室温多铁材料体系,对于拓展量子多功能材料体系、增强量子多功能复合及调控、发展新颖的量子调控和复合理论机理等具有重要意义.铋层状钙钛矿结构Aurivillius相氧化物是一类重要的铁电材料,其分子通式为由类萤石层和类钙钛矿层沿c轴方向交替生长形成,其中A=Bi,Pb,La,Sr等;B=Ti,Fe,Mo,W,Ta,Nb等;m表示单个晶胞内沿c轴方向类钙钛矿层的层数,其结构如图1如示.对Aurivillius相多铁性(2000年以前称之为磁电性)的研究,最早起源于20世纪50年代,因为磁性和磁电耦合太弱,其前50年的发展乏善可陈.2009年,我们研究团队将Fe,Co离子共掺入Bi4Ti3O12铁电母体材料后,获得了室温以上铁电、铁磁共存的Bi5Fe0.5Co0.5Ti3O15新材料,证明这类材料具有潜在的室温以上的多铁性能[23],并探测到了高于室温的磁电耦合性[24].这之后,铋层状类钙钛矿氧化物搭乘“多铁性物理复兴的便车”,迎来了科学研究的高峰.使用其他元素对Aurivillius相氧化物进行掺杂被证明也能提高其铁电/铁磁性能[25−28].虽然对Aurivillius相氧化物已经有大量的研究工作,但由于缺少单晶类样品,这些工作主要是围绕多晶类块体或者多晶薄膜展开,它们的磁、电等性能研究大都采用宏观探测方式,因此关于这类多铁材料的微观晶格、电子结构等涉及多铁性机理的研究,都进行得非常困难.图1 Aurivillius相铋层状类钙钛矿结构材料的结构示意图(其中示意了m=3的3层类钙钛矿层)Fig.1.The schematic of Aurivillius phase bismuth layer-structured material(the m=3 structured was adopted).2015年,我们制备出了多铁铋层状氧化物的单晶薄膜[29,30],使得从高质量样品出发研究其多铁性来源和机理成为可能.近年来,我们在高质量单晶薄膜的基础上,研究了多种磁性元素掺杂的多铁层状氧化物薄膜,包括Fe,Co,Ni,La的掺杂[29−32],以及不同周期结构的多铁薄膜(m=5,10)[30,33].发现这些单晶薄膜在室温下大都具有层状面面内方向的铁电极化,以及比较小的室温磁化强度(<0.5µB/单胞,本文的单胞均指代表分子式的结构单胞),低温区存在第二个磁性相变.通过X射线共振非弹性散射(RIXS),发现元素掺杂会改变金属和氧原子之间的氧八面体晶体场的劈裂,能够增强Dzyaloshinskii-Moriya相互作用,进而增强铁磁性[34].另一方面,通过极化中子反射(PNR),我们发现薄膜主体的磁化强度小于0.08µB/单胞,远小于通常探测的宏观磁化强度,说明单晶薄膜具有非常弱的铁磁性,因此单晶薄膜中磁和电的来源及其耦合机理和多晶块体很可能是不同的[35].本文总结了近几年我们课题组在铋层状氧化物单晶薄膜方面的最新研究进展.首先介绍了铋层状氧化物单晶薄膜的脉冲激光制备研究,包括通过优化温度、氧压以及衬底界面等方法,制备高质量的单晶薄膜;其次介绍了我们制备的一些高质量铋层状氧化物单晶薄膜铁电和铁磁研究,主要介绍超导干涉线圈(SQUID)和压电力显微镜(PFM)的研究结果;然后介绍了两种独特的研究手段,即RIXS和PNR,以及它们在研究层状氧化物单晶薄膜多铁机理方面的研究成果,包括掺杂所引起的晶体场劈裂能的变化、单晶薄膜的本征磁性探讨;最后对我们在铋层状氧化物单晶薄膜多铁研究的已有成果进行总结并提出展望.2 铋层状氧化物单晶薄膜的制备研究铋层状氧化物母体为良好的室温铁电体,近年来很多研究工作发现在这一材料中引入磁性原子掺杂,能够实现非常稀缺的室温铁磁、铁电的共存,引发了广泛的关注.然而绝大多数研究都是基于多晶或者非晶材料,经常存在磁性杂相,探测到的磁性和电性随样品质量的变化而变化.因而,制备高质量的铋层状氧化物单晶薄膜是亟需解决的问题.我们重点研究了m=5的Bi6FeCoTi3O18(BFCTO)薄膜的脉冲激光沉积(PLD)制备[29].首先选取(001)面的(LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7衬底(简称LSAT),因为该衬底晶格常数为3.868 Å,最接近BFCTO块体的晶格常数3.876 Å.脉冲激光的能量和频率分别为2 J/cm2和2 Hz.我们分别在590◦C,605◦C,620◦C三个温度下生长了BFCTO薄膜,生长氧压均为20 Pa.采用X射线衍射(XRD)对薄膜的结构进行了表征,如图2(a)所示.在620◦C生长的薄膜存在明显的层数降低,根据超晶格的XRD谱可以看到,薄膜已经从五层钙钛矿结构变成了四层钙钛矿结构.降层的同时在43.5◦附近出现了杂相峰.根据搜索PDF卡片的结果,惟一的可能性是Fe3O4或者CoFe2O4两种尖晶石相的(400)衍射峰.对于这种尖晶石相,在多晶中通常最强峰是(311)衍射峰,2θ角约35.4◦.然而在我们生长的薄膜中,最强衍射峰的指数为(400),说明在薄膜中这些尖晶石相是沿a轴方向生长,这与之前报道的BFO/CoFe2O4[36]和BFTO/CoFe2O4[37]类似.这种结构的坍塌及杂相的出现,是由于Bi元素具有挥发性,温度过高时Bi的挥发使得Bi的组分比例降低,原有的结构不再稳定,从而出现降层.而多余的金属元素则以氧化物杂相的形式留在薄膜中.图2 (a)在620,605,590◦C三个不同衬底温度生长的BFCTO薄膜XRD谱,插图是620◦C生长的薄膜(0020)峰中含杂相峰的放大图;(b)—(d)三个不同温度生长的薄膜表面原子力显微镜(AFM)图;(e)在最优温度605◦C生长的薄膜的扫描透射电子显微镜(STEM)图,其中亮点为最重的Bi原子(摘自文献[29])Fig.2.(a)XRD patterns of the BFCTO f i lms grown at 620,605,and 590◦C with the same oxygen pressure of 20 Pa;the inset magnif i es the shoulder feature nearthe(0020)peak of the f i lm grown at 620◦C,which represents the spinel impurity(Imp.)peak;the surface morphologies of the three BFCTO f i lms are shown in(b)–(d)respectively;the scan areas are all 2µm×2µm;(e)the HAADF-STEM image taken from a cross section of the BFCTO f i lm grown at605◦C;the bright spots are the Bi atoms.Adapted from Ref.[29].另外,氧压同样也是薄膜生长中非常重要的影响因素,尤其是对于含有Bi元素的氧化物,因此Aurivillius相氧化物薄膜的生长也受氧压的影响.我们分别在15,20,25 Pa 三个氧分压下生长了BFCTO薄膜,发现氧压过低会导致薄膜的钙钛矿结构层数下降并产生杂相,而氧压过高会导致薄膜以三维模式生长,结晶性变差.在上述3种气压中,20 Pa是最优气压.在以上生长条件优化的基础上,通过改变界面结构对BFCTO薄膜的生长进一步优化[30].由于BFCTO的大周期晶格结构和Bi2O2,FeO2,CoO2分子层的极性问题,在界面处会出现极性不连续,从而导致界面电场不稳定,可以引发界面晶格结构的杂乱化.为了解决这一问题,我们通过插入导电氧化物来屏蔽绝缘衬底和极性薄膜.我们选择LaNiO3(LNO)薄膜作为屏蔽层,分别对LSAT和LNO/LSAT上最优温度生长的BFCTO薄膜进行了XRD,AFM,X射线倒空间强度分布(RSM)表征,结果如图3所示,可以看到在LNO上生长的BFCTO薄膜平整度、晶格衍射的相干性均有了很大的提高.并且,BFCTO在LSAT和LNO/LSAT上生长的晶格失配是相同的,表面形貌和结晶性的差异并非由于晶格失配不同.图3 (a)和(d)分别是BFCTO和BFCTO/LNO薄膜的XRD图,其中放大插图分别是两个薄膜(0024)峰的摇摆曲线;(b)和(e)是两个薄膜的AFM图,扫描面积均为2µm×2µm,粗糙度的RMS分别为3.04 nm和0.274 nm;(c)和(f)是两个薄膜围绕衬底(103)峰和薄膜(1035)峰的RSM图,图中刻度均以LSAT衬底倒空间晶格为标准,(f)中红色箭头指向超薄LNO薄膜的衍射位置,(c)和(f)图中下方均为BFCTO薄膜衍射峰(摘自文献[30])Fig.3.(a)and(d)are XRD ω-2θ scans of BFC TO/LSAT and BFCTO/LNO/LSAT f i lms,respectively.Stars(*)and numbersigns(#)indicate LSAT and LNO dif f raction peaks,respectively.Rocking curves of the(0024)peaks are shown in the insets of(a)and(d).(b)and(e)are 2µm×2µm AFM scan height images with roughnes s RMS of 3.04 nm and 0.274 nm respectively.(c)and(f)are X-ray reciprocal space mapsaround(103)LSAT and(1035)BFCTO dif f ractions.The(103)LNO buf f er layer dif f ractions is indicated by the arrow in(f).The bottom peaks in(c)and(f)arefrom BFCTO f i lms.Adapted from Ref.[30].我们通过STEM及其电子能量损失谱(EELS)研究了两种薄膜的界面晶格结构和电子结构,验证了导电层电荷屏蔽效应对界面晶格和电势的影响.如图4(a)所示,在BFCTO与LSAT的界面结构存在3种类型,类型I为双铋氧层起始,类型II为先生长一层钙钛矿中的铋原子然后再生长双铋氧层,类型III-a为先生长两层钙钛矿中的铋原子然后再生长双铋氧层.而在BFCTO与LNO的界面处,界面结构是单一的,均为先生长两层钙钛矿中的铋原子然后再生长双铋氧层,我们将其命名为类型III-b.我们对界面做了EELS表征,EELS可以对材料的组分和价态进行表征.根据EELS结果,我们给出了4种类型界面的结构示意图,如图4(b)所示将薄膜的结构沿c方向分为几层,并且标注了不同层的极性.因为Bi2O2层带2+电荷,所以剩余部分带2−电荷,即5层钙钛矿结构平均每层为−0.4电荷.而在LNO导电层的界面处,我们认为存在一个带正极性的屏蔽电荷δ+.这个屏蔽电荷可以抵消BFCTO薄膜中存在的极化场.图4(c)和图4(d)对比了类型III-a和类型III-b的极化场(E)和电势(V).在类型III-a界面中,没有屏蔽电荷存在,电势随着在BFCTO中的厚度增加而增加.在类型III-b界面中,假设有少量的屏蔽电荷δ=0.2+,这样可以非常好地屏蔽掉BFCTO薄膜中的偶极子电场.根据Thomas-Fermi屏蔽方程,屏蔽距离大约为1个单胞[38].由此,我们可以得出结论:由于屏蔽电荷的存在,BFCTO与LNO/LSAT的界面比与LSAT的界面更加稳定有序,从而引起了对BFCTO薄膜表面形貌、结晶性的一系列影响.除了结构较为简单的m=5 BFCTO薄膜,我们也制备了[001]晶向的磁性原子(Fe,Co)掺杂的大周期Bi m+1(Fe,Co)m−3Ti3O3m+3外延薄膜,m约为10,通过XRD和STEM实验,发现大周期薄膜中存在周期随厚度的变化,但没有发现杂相[33].图4 (a)BFCTO和BFCTO/LNO薄膜界面处的STEM实验图和模拟图,其中I,II,III 三种界面来自BFCTO/LSAT界面,III-b来自BFCTO/LNO界面;(b)根据STEM实验得到的界面电荷分布示意图;(c)和(d)分别是III-a界面和III-b界面的电场和电势分布图(摘自文献[30])Fig.4.(a)Comparisons between the experimental interface images and the corresponding simulated images of the four types of interfaces.(b)The ionic charges per square unit cell of the bilayer and the perovskite layers are shown for the four interfaces in(a).A small screening charg e density of δ+per square unit cell is shown in the fi rst layer of LaNiO3near the interface.(c)and(d)are the schematics of ionic chargeρ,electric field E and potential V of the type III-a interface in BFCTO/LSAT film and the type III-b interface in BFCTO/LNO film,respectively.Adapted from Ref.[30].另外,我们也制备了Fe-Ni共掺杂的薄膜[31].使用BFTO和LNO双靶材交替生长的方法,实现了对单晶薄膜的掺杂调控,在(001)LSAT衬底上制备了一系列(La,Bi)6Fe2−xNixTi3O18(LBFNTO)薄膜.在制备LBFNTO前均在LSAT衬底上生长了30个单胞的LNO导电层.制备LBFNTO薄膜的整个生长过程由若干个循环组成,在每个循环中通过控制BFTO和LNO靶材生长的脉冲数来控制薄膜成分.比如样品4B1L代表的是每个生长周期中沉积1/2 BFTO层和1/8 LNO层.在4B0L,4B1L,4B2L等不同样品中Ni和Fe的摩尔比分别是0(x=0),1/8(x=2/9),1/4(x=2/5).结构表征发现LNO比例超过4B2L时薄膜中开始出现杂相.3 铋层状氧化物单晶薄膜多铁性能的研究在高质量薄膜制备的基础上,我们对一系列单晶薄膜进行了多铁性能的测试.首先对在LNO/LSAT生长的高质量的BFCTO薄膜的铁磁性能和铁电性能进行了表征[30].薄膜磁性表征在SQUID上完成.图5(a)为薄膜的磁性随温度的变化曲线,红色实线对应场冷(FC),虚线为零场冷(ZFC),可以看出薄膜的磁性随着温度的降低而升高.插图为薄膜室温的M-H曲线,经过单位转化以后,每个单胞的饱和磁矩为0.34µB.在M-T曲线中,在50 K附近FC与ZFC所对应曲线分开较大,磁性峰出现在大约46 K 的位置.因此,我们认为薄膜中有两种不同的磁性序存在,分别在100 K以上和50 K 以下.在接近0 K时,能看到磁信号有个明显的上升,这是一个顺磁信号,这主要是由于存在氧空位等缺陷所致.使用PFM测量了薄膜的面外方向的极化,观察到了很强的极化翻转,如图5(b)和图5(c)所示.我们在2µm×2µm区域先写入了+8 V的电压,然后再在1µm×1µm写入−8 V的电压,最后在3.5µm×3.5µm区域去读取信号.之前的报道中,不管是钙钛矿层为奇数层还是偶数层,比如块体的Bi4Ti3O12和Bi5FeTi3O15,铁电极化主要是在面内方向.对于Bi4Ti3O12,面外的分量也只有面内的8.7%.最近,理论计算已经发现,在Bi5FeTi3O15和Bi4Ti3O12体系中,压应力能够提升c方向的极化值[37].我们的研究工作是在LNO/LSAT上生长BFCTO薄膜,衬底的压应力大约为0.2%.强烈的面外方向的极化翻转可能是由于压应力的效果导致的.另一方面,介电材料中的电荷效应也能导致回字的产生[39].但我们测到的相位变化达到180◦,比通常电荷效应的相位变化大,所以这种变化主要不是来源于电荷效应,而是铁电极化.图5 (a)BFCTO/LNO双层膜的面内磁性和温度关系,内插图为常温下的磁滞回线;(b)和(c)分别为常温下PFM的相位图和振幅图,测试方向为面外方向(摘自文献[30])Fig.5.(a)The magnetization as a function of temperature for BFCTO f i lms grown on LNO buf f er layer.The room-temperature magnetic hysteresis measured along the in-plane direction is shown in theinset.(b)The phase and(c)the magnitude of the phase switching along the out-of-plane direction in the PFM measurements.Adapted from Ref.[30].m=10的大周期外延薄膜的铁磁和铁电性能如图6所示[33].我们通过SQUID变温测试,发现FC和ZFC条件下,磁性随温度的变化趋势发生在200 K,在室温能够探测到每个结构单胞约0.25µB的饱和磁化强度.这些结果说明,室温和低温下磁性的来源机理不同,而室温下非常小的饱和磁化强度说明Dzyaloshinskii-Moriya相互作用导致的反铁磁倾斜很可能是其室温铁磁性来源.通过室温下PFM实验,在不加电场的条件下,在面内方向发现铁电畴的存在,与不掺杂母体Bi5FeTi3O15和Bi4Ti3O12一致.在面内方向.由于这些铁电畴的发现是在没有外加电场的条件下,因此不存在静电场下的电荷效应,可以确定铁电性的存在.以上两种Bi层状多铁薄膜均为Fe-Co共掺杂的薄膜,我们也测试了Fe-Ni共掺杂的薄膜[31].由于LNO比例超过4B2L时薄膜中开始出现杂相,因此我们重点研究了4B0L和4B1L薄膜的多铁性能,即(BFTO)和(La,(LBFNTO)(x=2/9) 薄膜.磁性测试结果如图7所示,4B1L样品具有更大的饱和磁矩,约每结构单胞0.43µB,但是矫顽场相对较小,约100 Oe(1 Oe=103/(4π)A/m),4B0L样品的每结构单胞饱和磁矩只有0.076µB,矫顽场有210 Oe.因此,可以认为掺杂提高了LBFNTO薄膜的磁性.另外,图7(b)显示4B1L样品FC和ZFC测试曲线在低温下出现较大的分离,而4B0L中两条曲线重叠比较严重,且数值较小.在150 K附近,4B1L样品出现了比较明显的鼓包,可能是一种自旋阻错行为.铁电性测试结果如图8所示.为了消除形貌的影响,我们使用远离共振频率的10 kHz来测试.图8(a)和图8(b)分别是两种薄膜的形貌图;图8(c)和图8(d)是面外方向的相位图;图8(e)和图8(f)是面内方向的相位图.从两种相位图可以清楚地发现,薄膜面外方向相位图中没有明显的衬度差别,而面内相位图中则有较为清晰的明暗对比,且明暗对比处有180◦的相位差.两个样品没有表现出明显的区别,面内都是一种多畴结构,畴的大小在100—250 nm范围.同时我们借助于极化翻转谱PFM(SSPFM),测试了在直流电压不加载时的极化曲线,测试方法和结果如图8(g)和图8(f)所示.4B1L 薄膜的铁电电滞回线比不掺杂的4B0L样品要大,即饱和极化值和矫顽场都大一些,说明掺杂薄膜中的铁电性比不掺杂样品的铁电性要大一些.图6 (a)m=10的BFCTO薄膜常温下的磁滞回线和(b)磁性与温度的关系,所有测试均为薄膜面内方向;(c)—(e)分别为常温下m=10薄膜的AFM形貌图、PFM的面外、面内相位图(1 emu/cc=103A/m,摘自文献[33])Fig.6.(a)The m=10 BFCTO f i lm magnetic hysteresis measured at room temperature and(b)the magnetization as a function of temperature;all measurements were done along the in plane direction of the f i lm.(c)The roomtemperature AFM image,the PFM image measured along(d)out-of-plane and(e)in-plane direction of the m=10 BFCTO f i lm.Adapted from Ref.[33].图7 (a)m=5的BFTO(4B0L)和BFTO:LNO为4:1比例制备m=5的LBFNTO(4B1L)薄膜常温下的磁滞回线和(b)磁性与温度的关系,所有测试均为薄膜面内方向(摘自文献[31])Fig.7.(a)The m=5 BFTO(4B0L)and m=5LBFNTO(4B1L,BFTO:LNO=4:1)f i lm agnetic hysteresis loops measured at room temperature;(b)the magnetization as function of temperature of the two f i lms;all measurements were taken along the in-plane direction of the f i lms.Adapted from Ref.[31].图8 m=5的BFTO(4B0L)和LBFNTO(4B1L)薄膜样品PFM 测试结果对比 (a)和(b)对应于薄膜表面形貌;(c)和(d)对应于薄膜面外方向极化相位图;(e)和(f)对应于薄膜面内方向极化相位图;(g)是SSPFM驱动电压加载方式;(h)是两个样品没有直流电压存在时的SSPFM测试结果(摘自文献[31])Fig.8.(a)and(b)Surface morphology,(c)and(d)are out-of-plane phase,(e)and(f)in-plane phase images of the m=5 BFTO(4B0L)and LBFNTO(4B1L)f i lms,respectively;(g)the tipbias pulse period in the SSPFM loop with the in-f i eld and f i eld-of fis 2 ms and 1 ms,respectively;(h)the piezoelectric response(PR)of the f i eld-of floops of 4B0L and 4B1L.Adapted from Ref.[31].综上所述,我们在不同周期的Fe-Co共掺杂薄膜、Fe-Ni共掺杂薄膜的研究中发现,这些薄膜都具有很好的铁电性,并且铁电自发极化方向大都位于面内,这和Bi层状氧化物块体中铁电极化主要存在于ab面内有很大关系[40,41].另一方面,这些薄膜在常温下都具有铁磁磁矩,然而,这些薄膜的磁性在常温下非常弱,表现为每结构单胞的饱和磁矩小于0.5µB,即每掺杂一个Fe和一个Co(Ni)原子只产生小于0.5µB的磁矩.在室温附近没有观察到铁磁性转变,这也可能是由于铁磁转变温度高于我们的测试温度.除此以外,掺杂后的薄膜大都在低温区出现FC和ZFC磁矩的分离,说明低温下存在磁性相变.4 铋层状氧化物单晶薄膜RIXS的晶体场电子结构研究RIXS是一个二级光学过程,其中包含芯能级的电子向非占据态的激发(光子吸收)和随之发生的占据态电子向芯能级电子空穴的跃迁(光子发射)过程[42,43].与XAS不同,由于光子吸收和光子发射过程的叠加,RIXS的分辨率不受内层电子空穴寿命的影响.因此,RIXS能够很好地研究在氧八面体晶体场作用下的Fe和Co 3d轨道电子的状态.图9是BFTO,BFCTO和LBFCTO薄膜Fe L边RIXS谱图[34].我们选定了几个能够覆盖Fe L3和L2吸收边的入射光能量.所有的RIXS谱都使用入射光通量进行了归一化,并以能量损失模式显示出来.每个RIXS谱的采集时间为30 min.在吸收边附近改变入射光能量,我们能够观察到很强的共振现象.RIXS谱的结构主要可以分为三类:由2p53d6轨道到基态的复合产生的弹性散射峰(Rayleigh散射),对应于谱图中能量损失为零的激发峰;由d-d激发、电荷转移激发产生的共振激发峰,对应于谱图中能量损失非零且峰位不随入射光能量改变而变化的峰;由Fe3+3d占据轨道的电子向2p1/2和2p3/2电子空穴退激发产生的常规X射线发射峰,对应于谱图中能量损失为非零但峰位随入射光能量改变而变化的峰.在Fe3+的RIXS谱中,−13.5 eV 和−15 eV处的两个激发峰(竖直实线标记)是来源于Fe3+离子的L3常规X射线发射.除了弹性散射和常规X射线发射外,从−1—−10 eV的能量范围还有5个能量损失峰能够清晰地分辨出来(虚线标记).Fe的L边RIXS谱与之前报道的一系列化合物比较相似[44−46],不同之处在于我们获得的RIXS谱弹性散射峰的强度比文献报道的要强很多,且随入射光能量的变化表现出很强的共振行为.这可能是由于所制备的高质量的薄膜样品表面非常平坦光滑,对入射光产生强烈镜面反射的结果.我们获得的RIXS谱也与α-Fe2O3的光吸收研究符合得非常好[47].从这些研究中可以得出,−1.6 eV处的第一个能量损失峰是来源于的晶体场激发;−2.8 eV处的第二个能量损失峰可以归结为3eg能级的自旋翻转激发;而−4,−5和−5.8 eV处的另外三个能量损失峰是来自于电荷迁移激发[48].图9 (a)BFTO,(b)BFCTO和(c)LBFCTO薄膜在选定入射光能量位置的Fe L边RIXS 测试,入射光的能量列于相应RIXS谱旁边 (摘自文献[34])Fig.9.Fe L-edge RIXS spectra of(a)BFTO,(b)BFCTO,and(c)LBFCTO f i lms at selected incident photon energies.The incident photonenergies are displayed next to the corresponding RIXS spectra.Adapted from Ref.[34].图10 (a)BFCTO和(b)LBFCTO薄膜在选定入射光能量位置的Co L边RIXS测试,入射光的能量标示在相应RIXS谱旁边(摘自文献[34])Fig.10.Co L-edge RIXS spectra of(a)BFCTO and(b)LBFCTO f i lms at selected incident photon energies.The incident photonenergies are displayed next to the corresponding RIXS spectra.Adapted from Ref.[34].图10是 BFCTO和 LBFCTO薄膜Co L边RIXS谱图.我们选定了几个能够覆盖Co L3和L2吸收边的入射光能量.BFCTO和LBFCTO薄膜Co L边RIXS谱与之前报道的CoO的RIXS非常相似[47],这意味着我们可以以CoO的RIXS为基准来解读BFCTO和LBFCTO薄膜的Co L边RIXS.薄膜的RIXS谱中出现了4个显著不同的能量损失峰,它们是来源于d-d激发和电荷转移激发.如果我们不考虑CoO6八面体的很小的形变,在八面体对称性(Oh)下,−0.7 eV处的损失峰是来源于d-d激发在。
《铋基材料的设计及其光电-电化学性能研究》范文
《铋基材料的设计及其光电-电化学性能研究》篇一铋基材料的设计及其光电-电化学性能研究一、引言随着现代科学技术的不断发展，铋基材料因其在光电和电化学领域的潜在应用价值而备受关注。
铋基材料因其独特的物理和化学性质，如高催化活性、良好的稳定性和优异的电子传输性能，在太阳能电池、光催化、电化学储能等领域有着广泛的应用前景。
本文旨在设计铋基材料，并对其光电和电化学性能进行深入研究。
二、铋基材料的设计1. 材料选择与合成方法铋基材料主要包括铋的氧化物、硫化物、卤化物等。
本文选择铋的氧化物作为研究对象，采用溶胶-凝胶法进行合成。
该方法具有操作简便、成本低廉、可控制备等优点。
2. 材料结构设计为了优化铋基材料的性能，我们设计了一种具有多孔结构的纳米材料。
该结构具有较高的比表面积和良好的电子传输性能，有利于提高材料的光电和电化学性能。
三、光电性能研究1. 光学性质通过紫外-可见光谱和光致发光光谱等手段，研究铋基材料的光学性质。
结果表明，该材料具有较好的光吸收性能和光致发光性能，有利于提高太阳能电池的光电转换效率。
2. 电学性质利用霍尔效应、四探针法等手段，研究铋基材料的电学性质。
结果表明，该材料具有良好的导电性能和电子传输性能，有利于提高太阳能电池的电流输出和填充因子。
四、电化学性能研究1. 循环伏安特性通过循环伏安法研究铋基材料的电化学性能。
结果表明，该材料具有较高的氧化还原反应活性和良好的可逆性，有利于提高电化学储能器件的充放电性能。
2. 电池性能研究将铋基材料应用于锂离子电池、钠离子电池等电化学储能器件中，研究其电池性能。
结果表明，该材料具有较高的比容量、良好的循环稳定性和优异的倍率性能，为电化学储能器件提供了新的研究方向。
五、结论本文设计了一种具有多孔结构的铋基纳米材料，并对其光电和电化学性能进行了深入研究。
结果表明，该材料具有优异的光电和电化学性能，有望在太阳能电池、光催化、电化学储能等领域得到广泛应用。
铋过量对CaBi4Ti4O15铁电薄膜性能的影响
状钙钛 矿结构 铁 电材 料有 望成 为 Ｐ Ｔ 的替代 品［ 。 Ｚ ２ ］ 铋 层状钙 钛 矿 结 构材 料 的化 学 通 式 为 （ ｉ ） Ｂ。 。 Ｏ。
（ Ａ—ｌ １ ， Ｂ２ ） 为 层 状 结 构 ，（ ｌ Ｏ３ ） （ ｉ Ｂ ＋ Ｏ２ 。 Ａ 一
线； 用 Ｚ 利 ＷＹ２ １ 宽频 Ｌ Ｒ数 字 电桥和 阻抗 分析 ８ １型 Ｃ
摘 要 ： 利 用 溶 胶 凝 胶 法 制 备 Ｃ Ｂ４ ４ ５ Ｃ Ｔ ａ ｉ Ｔｉ ＋ Ｏｌ（ Ｂ ＿
ｘ铁 电薄膜 ， 索 了不 同铋 含 量 对 Ｃ Ｔ ｘ铁 电薄 膜样 ） 探 Ｂ —
品的相 结构 、 观 形貌 和 电学 性 能 的影 响 ， 究表 明， 微 研
当 Ｘ为 ０ ３时， 品 的剩 余极 化 强度 达 到 最 大值 ，Ｐ ． 样 ２
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ１ 引 言
铁 电薄膜材料 在铁 电 随机 存储 器 （ ｅ ＡＭｓ上 的 ＦＲ ） 应用越 来越引起 人 们 的 关 注［ ，Ｐ （ ｒ Ｔ ） ３ Ｐ Ｔ） １ ｂ Ｚ ， ｉ０ （ Ｚ ］ 薄膜 因具 有较大 的剩余 极 化 强 度 、 半 导 体 工 艺相 适 与 应 的较低 沉积 温度 （ ６ ０ 而受 到广 泛 的关 注 。但 ＜ ５ ℃）
是 ， 积在 Ｐ 金属 电极 上 的 Ｐ Ｔ铁 电薄 膜 的 抗疲 劳 沉 ｔ Ｚ
为 ３ｓ使 前驱 体溶 液 均匀 涂 敷 在衬 底 上得 到 的湿 膜 ， ０， 在 ２０ 的热板 上 烘 干 ， 得 薄 膜 上 的 有机 溶 剂 尽 量 ０℃ 使
挥 发 ， 成 Ｃ Ｔ ｘ非 晶薄 膜 ； 后 在 快 速退 火 炉 内在 形 Ｂ － 然 空 气气 氛下 进行 ７ ０ 温 度 下 的退 火 处 理 ， 非 晶膜 ５℃ 使 转 变成 晶态膜 。多次 重 复 上 述匀 胶 和 热 处理 过 程 ， 直
铁电陶瓷
铁电陶瓷材料的研究现状尤欣欣（渭南师范学院化学与生命科学学院，08级材料化学1班）摘要：本文论述了几种具有代表性的铁电陶瓷材料的研究现状，以及人们在研究过程中产生的新问题。
这几种材料主要包括层状铁电陶瓷，弛豫型铁电陶瓷，含铅型铁电陶瓷，无铅型铁电陶瓷，以及反铁电陶瓷材料。
最后，对未来的研究与应用前景进行了展望。
关键词：铁电陶瓷；铁电性；钙钛矿；研究0前言铁电陶瓷(ferroelectric ceramics)材料，是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支。
铁电陶瓷的主要特性为：(1)在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相；(2)存在电畴；(3)发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现峰值，并服从Curie-Weiss定律；(4)极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线；(5)介电常数随外加电场呈非线性变化；(6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。
其电性能：高的抗电压强度和介电常数。
在一定温度范围内(-55～+85℃)介电常数变化率较小。
介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。
铁电陶瓷的特性决定了它的用途。
利用其高介电常数，可以制作大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，电容量可高达0.45μF/cm2。
利用其介电常数随外电场呈非线性变化的特性，可以制作介质放大器和相移器等。
利用其热释电性，可以制作红外探测器等。
利用其压电性可制作各种压电器件。
此外，还有一种透明铁电陶瓷，具有电光效应，可用于制造光阀、光调制器、激光防护镜和热电探测器等。
目前，全球铁电元件的年产值己达数百亿美元。
铁电材料是一个比较庞大的家族，当前应用的最好的是陶瓷系列，其已广泛应用于军事和工业领域。
但是由于铅的有毒性及此类铁电陶瓷材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。
因此开发新一代铁电陶瓷材料己成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。
铁电材料的结构和性质研究
铁电材料的结构和性质研究铁电材料是一种反应电场的材料，具有极化现象和电介质特性。
目前应用广泛的铁电材料包括铁电氧化物、有机铁电材料、高分子铁电材料等。
铁电材料在信息存储、传感、储能等领域具有很高的应用价值。
因此，铁电材料的结构和性质研究是非常重要的。
一、铁电材料的结构铁电材料的结构是影响其性质的重要因素，因此研究铁电材料的结构具有重要的意义。
目前大多数铁电材料的结构体系属于钙钛矿结构、钙铁矿结构、层状结构和三方结构等。
钙钛矿结构是最为常见的一种铁电材料结构，它的晶胞结构是由正方晶系的三重周期堆积层组成的。
其中每层由钙钛矿结构的基本单元，即由一种离子或几种离子组成的三角形或六边形锥体单元组成。
钙钛矿结构的铁电材料有铁酸铁等。
钙铁矿结构是钙钛矿结构的一种变体，它的结构类似于钙钛矿结构，但是钙铁矿结构中的部分原子在大气压下会发生偏离。
钙铁矿结构的铁电材料有锆钛酸铅等。
层状结构是另一种常见的铁电材料结构，它的晶胞结构由经典的氧化物层状结构组成。
其中每一层由氧化物组成，所以它们之间的结合不像钙钛矿和钙铁矿那样紧密。
层状结构的铁电材料有氧化铁、钼酸钠等。
三方结构是一种新型的铁电材料结构，它的晶胞结构中具有具有平衡的不对称性，因此具有良好的铁电性。
三方结构的铁电材料有氧化铜、碳酸氢铵等。
以上几种铁电材料的结构都有其特点，这也为不同领域应用提供了一定的选择。
二、铁电材料的性质铁电材料的电学性质是其应用价值的重要体现之一。
铁电材料的电学性质主要分为铁电性质、介电性质、压电性质和电致伸缩性质等。
铁电性质是铁电材料的基本性质，具有电极化现象。
当受到外界电场的作用时，材料内部的正负电荷将分离出来，从而产生电极化。
并且铁电材料在电场消失之后可以保持电极化状态，这种特殊的电学性质称为残留极化。
目前产生最大残留极化的铁电材料主要有铁酸铁、锆钛酸铅等。
介电性质是铁电材料的另一重要电学性质。
介电性质是当铁电材料处于电场中时所呈现的响应量。
关于铁电材料的发展历史和现状的论文
关于铁电材料的发展历史和现状的论文作者：符春林潘复生蔡苇邓小玲论文关键词：铁电材料罗息盐磷酸二氢钾钙钛矿论文摘要：铁电材料是～类重要的功能材料，是近年来高新技术研究的前沿和热点之一。
通过罗息盐时期一发现铁电性、kdp时期一铁电热力学理论、钙钛矿时期一铁电软模理论、铁电薄膜及器件时期～小型化四个阶段阐述了铁电材料的发展历史，提出了研究中需要解决的一些问题。
铁电材料是一类重要的功能材料．它具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性，可用于制作铁电存储器、热释电红外探测器、空间光调制器、光波导、介质移相器、压控滤波器等重要的新型元器件。
这些元器件在航空航天、通信、家电、国防等领域具有广泛的应用前景。
因此铁电材料成了近年来高新技术研究的前沿和热点之一。
早在远古时期，人们就知道某些物质具有与温度有关的自发电偶极距，因为它们被加热时具有吸引其它轻小物体的能力。
年brewster观察到许多矿石具有热释电性。
l880年约·居里和皮·居里发现当对样品施加应力时出现电极化的现象。
但是，早期发现的热释电体没有一个是铁电体。
在未经处理的铁电单晶中。
电畴的极化方向是杂乱的，晶体的净极化为零，热释电响应和压电响应也十分微小，这就是铁电体很晚才被发现的主要原因。
直到l920年，法国人valasek发现了罗息盐(酒石酸钾钠，nakch4o·4h2o)特异的介电性能，才掀开了铁电体的历史。
在铁电发展史上的重要历史事件按年代顺序列于表l中。
1四个发展阶段关于铁电的发展历史，大体可以分为以下四个阶段。
1．1罗息盐时期一发现铁电性1919年，josephva1asek在美国明尼苏达州大学读研究生，师从物理学家w fg swan 教授。
从事宇宙射线物理理论研究工作而闻名于世的swan教授建议valasek研究罗息盐单晶的物理性能。
在接下来的两年里，valasek测量了罗息盐的线性介电响应、非线性介电性能、压电性能、热释电现象等宏观性能。
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铋系层状钙钛矿结构铁电材料研究现状
【摘要】铋系层状钙钛矿铁电材料（BLSFs）以其优良的疲劳性能和铁电特性而受到广泛的关注，本文探讨铋系层状钙钛矿铁电材料基本特点、性能及研究现状，针对几种典型铋系层状钙钛矿铁电材料，讨论其主要性能及性能改善的各种工艺方法，利用这些改进的工艺方法可以对实现铋系层状钙钛矿铁电材料性能的可控制备。
【关键词】铁电材料；层状钙钛矿结构；改性工艺
0 引言
近年来，在新材料研究方面，铋系层状钙钛矿铁电材料（BLSFs）以其优良的疲劳性能和铁电特性而受到人们广泛的重视，铋系层状结构钙钛矿型铁电材料是一种具有铋氧层[（Bi2O2）2+]和伪钙钛矿层沿c轴相互交叉而形成的铁电材料，伪钙钛矿层具有化学通式（Am-1BmO3m+1）2-，其中A位为1价、2价或3价离子（如Sr2+、Ba2+、Bi3+等），B位是4价或5价离子（如Ti4+，Ta5+，Nb5+等），m是伪钙钛矿层中MO6八面体的数目。
当m趋于∞时，层状钙钛矿铁电体就变为简单钙钛矿结构。
1 铋系层状钙钛矿结构的特点
SrBi2Ta2O9（SBT）是最初被广泛研究的层状钙钛矿铁电体。
SrBi2Ta2O9中m=2，即相邻两个Bi2O2层之间夹着2个钙钛矿层，Ta位于氧八面体的中心（B位），Sr位于相邻氧八面体的填隙位置（A位），Bi元素全部在铋氧层中。
在高温顺电相中，SBT的空间群为I4/mmm，居里点（约340℃）以下，形成空间群为A21am的正交铁电相。
SBT 的剩余极化方向沿a轴，值约为6μC/cm2，在c方向没有极化。
结构与SBT类似的有SrBi2Nb2O9 （SBN），居里点约为440℃，剩余极化与SBT相近。
Bi4Ti3O12（m=3）是另外一种层状钙钛矿铁电材料，居里温度为675 ℃，发生铁电相变时由高温四方相I4/mmm变为接近正交相的单斜相（空间群为Fmmm）。
铁电相变引起的畸变主要是氧八面体的整体倾转，所以对于m为奇数或偶数的情况，垂直c轴和顶点氧位移构成的平面的对称元素分别是2次轴和m 面。
如果我们习惯上把a 轴作为极化方向的话，那么在对于m为奇数和偶数时候，空间群分别为A心和B心，唯一的例外是单层结构的Bi2WO6。
m为奇数时，由于垂直c轴的对称元素为2次轴，所以c向上存在较小剩余极化。
随着研究的更进一步深入，更多层的层状钙钛矿铁电材料如SrBi4Ti4O15（m=4）、Sr2Bi4Ti5O18（m=5）等的铁电性质研究也有报道。
2 铋系层状钙钛矿结构性能优化
层状钙钛矿铁电体大多存在合成温度较高，剩余极化较小，矫顽场比较大等缺点，因此研究者希望通过改进的方法合成性能更好的铁电新材料。
由于Bi系层状铁电材料的结构特征，有如下方法可以对它们的性能进行优化。
2.1 A位取代（substitution）
即用半径和性质相似的元素取代钙钛矿层中的A位元素。
如用Bi元素对SBT薄膜中部分Sr元素进行取代使Pr值得到提高；用La取代了SrBi4Ti4O15（m=4）中的部分Bi发现Pr值增大；用Nd元素取代Bi4Ti3O12中的Bi元素获得了比La取代更大的剩余极化值并具有很好的抗疲劳性能。
2.2 B位取代或掺杂（doping）
即用性质相似的元素取代钙钛矿层中的B位元素。
如用V、Nb元素对Bi4Ti3O12和BLT的B位进行掺杂，发现Pr显著提高，但仍显示疲劳；用V元素对BNdT的B位进行掺杂获得了较大的Pr值。
2.3 固溶（solid solution）
采用结构相同但性能互补的两种材料混合形成多元混合体系的固溶体。
如（1-x）SrBi2Ta2O9-xBi3TiTaO9，经过固溶以后SBT的居里温度升高，剩余极化增大。
当x取某个中间值（0.3～0.6）时，性能达到最优。
类似的，比起SBT薄膜，该固溶体薄膜的铁电性能也有所提高。
2.4 共生（intergrowth）
利用两种m数不同的结构单元组成一新材料的单胞。
例如Noguchi等人报道的[Bi4Ti3O12 - SrBi4Ti4O15]共生薄膜，其晶体单胞即是由Bi4Ti3O12单胞和SBTi单胞共生组成，由于连接处产生的应变使铁电性能的改善。
Bi4Ti3O12的三层TiO6氧八面体和SBTi的四层TiO6氧八面体结构在（Bi2O2）2+层中交替出现。
他们发现共生后的居里温度是之前两者的平均，剩余极化也较大。
2.5 取向生长
由于Bi系层状铁电材料的自发极化发生在a方向，因此如果能让薄膜的法向在a方向或者靠近a方向，则Pr会显著提高。
如利用生长条件控制在SrRuO3/YSZ衬底生长a取向的BLT薄膜，其2Pr达到47μC/cm2。
3 结论
在上述对Bi系层状钙钛矿铁电材料性能改进的方法中，各种制备方法都具有自身的特点，而且制备工艺也比较成熟，可以实现对铋系层状钙钛矿铁电材料性能的可控制备。
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