BiFeO3多层复合薄膜的制备与性能调控研究

BiFeO3是迄今为止唯一在室温下同时具有铁磁和铁电性的单相多铁材料, 在信息存储、传感、高温压电和自旋电子等器件上都具重要潜在应用。虽然BiFeO3材料具有优异铁电性能，但其室温高漏电流极大地恶化了BiFeO3的电学性能，很大程度上限制其广泛应用。本项目拟通过离子取代、制备多层复合结构等方法降低BiFeO3薄膜漏电流；通过设计和优化多层复合结构、晶体取向等来调控BiFeO3薄膜多铁性能。重点研究如下四个关键科学问题：多层复合结构BiFeO3薄膜的制备技术；离子取代、多层复合结构与BiFeO3薄膜多铁性能的关联；晶体结构、晶体取向与BiFeO3薄膜多铁性能的关联；BiFeO3薄膜的漏电流和疲劳机制及其调控方法。本项目综合研究多铁BiFeO3多层复合薄膜的制备与性能调控，可望发展具有高性能且适合高密度随机存储器的BiFeO3多层复合薄膜，在发展相关基础理论和实际应用上均具重要意义。

多铁材料是当前国际材料研究的前沿和热点之一。本项目选择铁酸铋薄膜材料为研究对象，利用组分调控和多层结构设计来增强其电学性能，并探讨其相关物理机理。在本项目的执行过程中，重点研究了四个关键科学问题并取得具有显示度的研究成果：掺杂机理及其与材料多铁性能的关联；多层复合结构的设计与电学性能的关联；从组成－结构－工艺－性能关系探索提高该薄膜体系多铁性能的有效途径；提出氧空位导致铁酸铋单层或双层薄膜介电弛豫、电导机制以及疲劳特性的物理起源。同时，利用铁酸铋材料的相界构建思想，在铌酸钾钠无铅压电陶瓷中成功地实现了压电性能的增强，其压电常数高达490 pC/N，该值是当前国际上该类陶瓷报道的最高值。本项目是重要、紧迫、符合"国家目标"的前沿热点研究。本项目研究期间，获得了Pr≥110 μC/cm2的材料组分；作为第一作者或者通讯作者发表SCI收录论文20篇，包括J. Am. Chem. Soc., ACS Appl. Mater. Interfaces （6篇）, Appl. Phys. Lett.（2篇）, J. Mater. Chem. A，J. Appl. Phys（3篇）等；申请国家发明专利1份；培养博士1人；培养硕士5人。超计划完成了本项目任务。