哈工大Mater. Today Phys.论文:铁酸铋陶瓷相变中的动态响应

    多铁性材料是兼具铁电、铁磁及磁电耦合特性的新型电磁功能材料。铁酸铋（BiFeO3）是目前唯一一种居里温度、奈尔温度均高于室温的多铁性材料，是后摩尔时代计算、存储、传感芯片用关键材料之一。

    自2003年Science刊发在BiFeO3薄膜中发现超大自发极化及弱自发磁化的文章以来，该领域研究便长盛不衰。然而，由于菱方相BiFeO3多晶中的自发极化翻转受应变钳制，自发磁化被反铁磁自旋序形成的62±2 nm非公度磁螺旋摆线结构约束，单相BiFeO3陶瓷的铁电、铁磁与磁电耦合性能一直远不如薄膜。通过引入稀土元素（RE）在BiFeO3陶瓷中构建多相共存的准同型相界已被证实是释放陶瓷铁电、铁磁与磁电耦合性能的有效方法，然而准同型相界Bi(Fe, RE)O3陶瓷中复杂的相变行为这一基础科学问题一直未被成功解释，成为领域内一块难啃的“硬骨头”。

    近日，哈尔滨工业大学周玉院士团队在BiFeO3多铁性陶瓷相变动力学领域取得重要进展，并在Materials Today Physics（IF 10.443）上发表题为“Dynamical electric and magnetic responses in the Bi0.85Nd0.15FeO3 ceramic with morphotropic phase boundary”[Mater. Today Phys., 2021, 100559]的研究论文。哈尔滨工业大学特种陶瓷研究所柯华副教授，中科院物理所董晓莉研究员为论文共同通讯作者，青年教师张洪军和张利伟为论文共同第一作者。

图1. Bi0.85Nd0.15FeO3陶瓷的原位变温显微结构：(a) 典型晶粒明场像及(b) 相分布图。(c)-(f) 室温下R相和O2相结构。(g)-(i) O2相到O1相的相变。(j) 623K的O1相结构

图2. Bi0.85Nd0.15FeO3陶瓷中畴界和准同型相界处的应变分析。(a)-(c) O2相90o畴界处的结构、切应变分布及转角。(d)-(f) R相和O2相界处的结构、切应变分布及转角

    作者以自主制备的高性能Bi0.85Nd0.15FeO3陶瓷为模型材料，从第一性原理计算出发预测了其相变序列，并结合变温结构表征确认了陶瓷中存在菱方R相、正交O1相和正交O2相三种对称性，在550 K左右发生O2到O1相的相变，最终极性的R相和O2相都转变为非极性的O1相。课题组还通过动态变温电、磁测量发现相变伴随着准同型相界处局部应变及反铁磁序的可逆变化，Bi0.85Nd0.15FeO3陶瓷的这一特性揭示了其在形状记忆应用方面的潜力。

图3. BiFeO3和Bi0.85Nd0.15FeO3中各相能量差的第一性原理计算

    柯华副教授长期从事高性能单相、复相多铁性陶瓷结构设计及第一性原理计算研究。自2006年进行BiFeO3研究以来，相继开发了高纯BiFeO3粉体的多种精细化学合成路径，合成了高纯BiFeO3陶瓷及高性能准同型相界Bi(Fe, RE)O3陶瓷，成果多次发表于Scripta Materialia、Journal of the American Ceramic Society、Journal of the European Ceramic Society等陶瓷材料领域知名期刊，多篇文章他引超百次。团队每年招收博士生1-2人，硕士生1-2人，欢迎感兴趣的同学报考。

    以上研究受到了国防科技基金、国际（地区）合作与交流项目和国家自然基金等项目和哈尔滨工业大学分析测试与计算中心、国际合作处等单位的大力支持。

    论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542529321002200