多铁性材料BiFeO3的研究.pptx

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contents1、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，磁电效应所涉及的电磁耦合指的是表征介质磁学性质和介电性质的序参量，即磁化强度（M）和电极化强度（p）之间存在的耦合性质；基于此，外加电场若能改变介质的磁学性质或者外加磁场能改变介质的电极化性质，称为磁电效应(magnetoelectric effect).正磁电效应P=AH 逆磁电效应M=AE磁电效应起源磁电效应的产生源于电子同时是电荷和自旋的载体。即外场能够以静电力、静磁力和洛伦兹力的形式改变电子的物理状态。而电子的自旋状态对物质的磁性有决定作用，电子的运动状态则直接和间接地决定了物质的介电性质。两种方向 a电子自旋状态改变- 自旋轨道耦合作用等- 电离子实构成晶格畸变伸缩- 铁电性产生 b带电离子实发生位移 -磁性离子间磁相互作用 -材料磁性变化磁电效应的形成机理原子（离子）位移型磁电效应自旋有序诱导多铁性铁涡性界面机械关联界面成键磁电效应的形成机理纯电子移动型磁电效应 通过电场或磁场控制电子行为来材料的磁性或电极化性质，同时保证晶格的稳定性表面磁电效应界面载流子聚集型磁电效应电子铁电性和电子型多铁体磁电效应工业应用磁电传感器多态存储器多铁性内存磁读电写硬盘多铁性材料至少拥有铁电(ferroelectricity)、铁磁(ferromagnetism)或反铁磁(anti-ferromanetism） 、铁弹性(ferroelasticity)等铁性中的两种性质的材料多铁性材料单相多铁性材料单相多铁性材料的晶体类型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，S.V 等测得的结果为a=b=c=3.96A[16]， 而Fiebig 等测得的结果则为a=b=c=5.63A，α=β=γ=59.4A， 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