强磁场下Bi6Fe2Ti3O18基多铁性薄膜的制备及磁电性能调控研究

Layer-structured Bi-based Aurivillius phase compounds exhibit both the coexistence of ferromagnetism and ferroelectricity at room temperature and the obvious magnetoelectric (ME) coupling effect at low temperature, and thus such materials have aroused the extensive interest in the field of single-phase multiferroics. In present, how to optimize the room-temperature multiferroic properties and improve the work temperature region of magnetoelectric coupling effect will determine the prospects for application. In this project, the Bi6Fe2Ti3O18-based thin films will be prepared by chemical solution deposition, and then the proper elements will be selected for doping to improve the multiferroic properties and ME effect. Meanwhile, taking into account the special role of high magnetic field in the nucleation and growth of thin films, magnetic field will be introduced in the preparation process of Bi6Fe2Ti3O18 thin films, and the effects of direction and intensity of magnetic field on the grain size, orientation, and texture degree of thin films will be investigated. Based on the above work, we will carry out the thickness effect study for high quality films under high magnetic field in order to further optimize multiferroic properties and ME effect, and establish the relationship between magnetic field and multiferroic ordering parameters, and thus provide the experimental and theoretical basis for the preparation of multiferroic materials under high magnetic field in the future.

层状Bi基Aurivillius相化合物在室温条件下表现出铁电和铁磁共存以及低温条件下具有显著的磁电耦合效应，因此该类材料在单相多铁材料领域引发了广泛的兴趣。目前，如何优化该材料体系的室温多铁性以及提高磁电耦合效应的工作温区直接决定了其应用前景。本项目拟采用化学溶液沉积法制备Bi6Fe2Ti3O18基薄膜，通过合适的元素掺杂改善材料的多铁性和磁电耦合效应。同时考虑到强磁场在薄膜形核和长大过程中的特殊作用，在Bi6Fe2Ti3O18薄膜的制备过程中引入强磁场，研究强磁场的方向和大小对薄膜的晶粒尺寸、取向和致密度的作用规律。结合前期的工作，我们对性能优异的薄膜开展强磁场条件下的不同厚度效应研究，以进一步优化材料的多铁性和磁电耦合效应，建立强磁场与多铁序参量之间的关联，为后期探索强磁场制备多铁材料提供实验和理论依据。

层状Aurivillius相在室温条件下具有铁电和铁磁共存特性以及在低温下具有显著的磁电耦合效应，但该类材料室温多铁性能较弱而且磁电耦合效应的工作温区较低，因此探索在室温附近具有强磁电耦合效应的多铁体具有深远的理论和实际意义。为此，我们主要开展了以下研究内容：一方面，为了优化层状该体系的室温多铁性和磁电耦合效应，研究组开展了不同位置的离子掺杂研究，研究结果表明稀土离子掺杂和磁性离子掺杂都有助于改善多铁性，但磁性Co3+离子较其他磁性离子掺杂对改善铁磁性具有更为突出的效果，施主离子掺杂可以促进晶粒生长并降低氧空位含量从而能有效增强铁电性能，同时我们结合介电谱/阻抗谱/电模量谱/交流电导率谱在Aurivillius相样品中证实了在室温附近的本征磁电耦合效应，上述研究对今后探究在室温条件下具有强磁电耦合的单相多铁体提供了一定的实验和理论依据。另一方面，根据前期的实验结果，研究组在强磁场下对Bi5.25La0.75Fe1.5Co0.5Ti3O18薄膜进行了退火效应研究，实验结果显示强磁场对调控该类材料的铁电性具有明显的作用，该结果为今后开展强磁场下多铁材料的制备提供了一定的参考价值。另外，研究组利用强磁场手段合成了具有强铁磁性的CoFe2O4薄膜，实验结果显示强磁场的引入促进了薄膜饱和磁化强度的提高，上述研究或许为今后利用层状Aurivillius相和强铁磁体组建复合薄膜并通过界面层应力进一步调控磁电耦合效应提供了一种实验设计思路。