多铁性锰氧化物的制备、结构表征及物性测试文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

BiFeO₃材料的铁电居里温度和反铁磁奈耳温度都高于室温，在室温下具有很好的多铁性，因此得到了科研工作者的广泛关注。BiFeO₃具有扭曲的钙钛矿结构，属于R3c空间群。BiFeO₃中每个自旋向上的都被六个最相邻的自选向下的包围，且不是完全反平行旋转，导致BiFeO₃呈现G-型反铁磁有序^[1]。BiFeO₃自旋耦合的晶格倾斜就是导致其宏观上呈现弱磁性的原因。Sudipta Goswami等人用压电响应力显微镜对孤立的纳米颗粒进行电子束光刻成像和对纳米链进行聚焦粒子束沉积及直接电子测量^[2]，记录并分析了BiFeO₃纳米链在室温、零磁场和20kOe磁场下剩余磁滞回线的测量结果，有力地证实了纳米BiFeO₃中存在铁电有序和强磁电耦合。

实验制备BiFeO₃的方法有很多，常用的有固相烧结法、快速液相烧结、共沉淀法（Co-Precipitation）、水热法（Hydrothermal）、溶胶-凝胶法（Sol-gel）等。Yao Ying bang等人在研究不同的烧结温度对材料结构的影响时就利用固相烧结法制备了BiFeO₃陶瓷^[3]。固相反应法是把金属盐或金属氧化物按配方充分混合，经研磨后再进行煅烧发生固相反应后，直接得到或再研磨后得到超细粉。虽然固相反应法在高温下进行合成，容易产生杂相而使材料的性能受到影响，但其具有制备成本低、操作简单、制备出的粉体颗粒填充性好、无团聚，因此依然是实验中常用的方法。液相烧结法中前期和中期有液相产生，可以提高合成速度，加热速率高，烧结周期短。Xin Xin Shi等人采用改进的快速液相烧结技术制备了Ti掺杂的Bi_0.86Sm_0.14FeO₃陶瓷，提高了Bi_0.86Sm_0.14FeO₃多铁性陶瓷的铁电性能^[4]。共沉淀法制备工艺简单、制备成本低、反应温度低、时间短等优点，但沉淀剂可能会引入杂质导致局部浓度太高发生团聚。水热法是制备无机材料中应用广泛的一种方法，采用水热法不需要经过高温烧结的过程，生产成本低、制备出的样品纯度高、形貌可控制，影响水热法的因素主要有温度、时间、前驱物浓度等^[5]。Liu等人用改进的水热法合成了单晶纯相的BiFeO₃纳米线，XRD分析显示其制备的产物结构优良^[6]。溶胶凝胶法简单来说就是将无机物或金属醇盐溶于有机溶剂，通过反应形成稳定的溶胶体系，经陈化聚合再形成凝胶，最后讲凝胶干燥、烧结固化，最终合成所需的材料。溶胶凝胶法设备简单，操作方便，反应均匀，容易实现掺杂，制备所得的粉体颗粒均匀性好，但同时也存在成本高、合成周期长等缺点。

纯的BiFeO₃具有较多的自身缺陷，从而导致其漏电流较大，而掺杂是解决这一缺陷有效的方法。目前关于BiFeO₃的掺杂改性研究主要分为两种：一是A位掺杂，由于稀土元素的原子半径和Bi原子的半径相近，且稀土元素的化合价与离子一样，都为正三价，因此用稀土元素代替BiFeO₃中的离子能够减少氧空位的形成，大大提高其性能^[7]。第二种是B位掺杂，由于过度金属元素和Fe元素的原子半径相近，因此用过渡金属元素代替BiFeO₃中的也可以减少氧空位的形成，从而降低漏电流，提高BiFeO₃材料的性能^[4]。在目前的研究中，使用比较多的有Mn、Cr、Co等过渡金属元素。

参考文献：

1. T. Zhao, et al, Electrical control of antiferromagnetic domains in multiferroic BiFeO3 films at room temperature, Nat. Mater. 5, 823 (2006).
2. Sudipta Goswami, Dipten Bhattacharya, Lynette Keeney, Tuhin Maity, S. D. Kaushik, V. Siruguri, Gopes C. Das, Haifang Yang, Wuxia Li, Chang-zhi Gu, M. E. Pemble, and Saibal Roy, Large magnetoelectric coupling in nanoscale BiFeO3 from direct electrical measurements, Phys. Rev. B 90, 104402 (2014).
3. 关小爱，BiFeO₃粉体的制备、掺杂及其性能研究，新疆大学（2015）.
4. Xin Xin Shi, Ying Qin, and Xiang Ming Chen, Enhanced ferroelectric properties in Bi0.86Sm0.14FeO3–based ceramics, Appl. Phys. Lett. 105, 192902 (2014).
5. 张铁，李金浩，关晓英，李锦，Nd掺杂BiFeO₃粉体的水热法制备及性能研究， 新疆师范大学学报：自然科学版(2015)36-41.
6. 沈辉，单晶铁酸铋纳米线合成和面外铁电极化反转现象的研究，河海大学（2013）.
7. 王颖泉，掺杂对BiFeO₃性质的影响，兰州大学（2007）.