题目：铁酸铋基薄膜的制备及应力调控下的性能研究

    多铁性材料同时具有铁电有序和磁有序以及这两种序参量之间的耦合效应，在新型磁电器件、自旋电子器件、高性能信息存储器件等领域有巨大的应用前景，是近十年来材料科学研究领域的一大热点。铁酸铋（BiFeO3）是目前唯一的室温单相多铁性材料体系。BiFeO3薄膜表现出了更为丰富的本征物理现象，如压电，铁电，电子输运，纳米尺度上电畴、磁畴的调控，光伏特性等。本论文以应力调控为手段，围绕BiFeO3基薄膜材料制备，对其物相结构，电、磁性能展开研究。

    采用简便的溶胶—凝胶旋涂法制备了单一物相、连续致密的Mn掺杂BiFeO3薄膜。B位掺杂Mn2+离子可以捕获由BiFeO3薄膜中氧缺陷反应产生的电子空穴，可获得显著改善的铁电性。当Mn掺杂浓度为10 mol %时，薄膜的剩余极化强度Pr ~ 43 μC/cm2。室温下Mn掺杂的BiFeO3薄膜饱和磁化强度Ms ~ 4.8 emu/cm3，表现为弱铁磁性。Mn掺杂改变了BiFeO3本征反铁磁序，磁性主要来源为铁磁矩在亚晶格尺度上微小倾斜的贡献。

    在Mn掺BiFeO3薄膜中，引入一定浓度梯度的Bi缺陷，以获得A位Bi缺陷与B位Mn掺杂共同调控薄膜。结果表明，起始原料中Bi元素的过量比，以及B位Mn元素的掺杂浓度均会影响到薄膜中Bi缺陷的含量。研究发现，薄膜中Bi缺陷浓度可以有效改变Bi-O键以及Bi原子的6s2孤对电子活性。增大BiFeO3晶格的内应力，导致[(Mn，Fe3+)O6]八面体产生较大畸变，最终使薄膜由菱方相（R3c）向正交相（Pnma）结构转变，表现出异常的铁电、电子输运行为。固定薄膜中的Mn掺杂含量，随着Bi缺陷浓度的增加，Bi1-δFe1-xMnxO3薄膜的P-E、C-V曲线逐渐表现出反铁电材料的特征，薄膜的压电系数d33降低。Bi缺陷对Bi1-δFe1-xMnxO3薄膜的磁性能并无影响，薄膜的磁性主要来源仍是Mn掺杂调整BiFeO3的螺旋调制磁结构，释放出潜在的净磁矩。在Mn掺杂的情况下，Bi缺陷对薄膜的漏电流无贡献，可见这是一种非常有潜力的BiFeO3基薄膜性能调控方式。

    通过与BFO晶格具有不同失配度的单晶基片引入不同程度的外力夹持。优化了溶胶—凝胶旋涂法在单晶基片上制备外延铁酸铋基薄膜材料的工艺。旋涂速度，热解速度对材料物相起到关键作用。对于使用同种衬底的薄膜，膜厚增加使应力松弛。当BiFeO3薄膜外延生长在（001）取向的LaAlO3单晶基片上时，两者之间的晶格失配度高达4.5 %。因此当薄膜在一定厚度之内（膜厚 ≤ 40 nm），BiFeO3薄膜将受到来自基片的较大应力加持，形成菱方相（R相）和类四方相（T相）共存的准同型相界；同时亚晶格尺度上的磁矩发生较大扭转完成了反铁磁—铁磁转变，磁化强度显著提高。20 nm BiFeO3薄膜在磁场∥膜面方向上测得Ms = 26.3 emu/cm3）。（001）LaAlO3单晶基片上生长的不同厚度BiFeO3薄膜具有不同的磁各向异性，主要来自于与应力成正比的磁弹性能的贡献。随着膜厚增加，应力释放，磁各向异性也逐渐消失。当使用晶格失配度较小的（001）LSAT与SrTiO3单晶基片时，基片对BiFeO3薄膜的应力挟持作用更加微弱，较小的束缚应力易随膜厚的增加而迅速释放，或是在制备过程中松弛。

    最后，在单晶基片上以化学法制备BiFeO3外延薄膜工艺成熟的基础上，B位引入Mn离子产生晶格内的Jahn-Teller畸变，与基片压应力同时作用。研究发现，Mn引入的化学内应力对压应力束缚下的BiFeO3薄膜晶体结构产生显著影响。随着Mn元素的掺入，（001）LaAlO3单晶基片上的BiFeO3薄膜由未掺杂时菱方相/类四方相的混合物相逐渐转变为菱方相。伴随着结构相变，BiFeO3基薄膜中产生较强的自旋—晶格耦合作用，导致磁性能降低。在实验的基础上，文章建立了Mn化学驱动力和基片压应力竞争作用下对BiFeO3物相的转变机制。