纳米能源所杨亚老师综述:纳米BFO的结构、性能与应用

Structure, Performance and Application of BiFeO3 Nanomaterials

Nan Wang, Xudong Luo, Lu Han*, Zhiqiang Zhang, Renyun Zhang, Håkan Olin, Ya Yang*

Nano‑Micro Lett.(2020) 12:81

https://doi.org/10.1007/s40820‑020‑00420‑6

本文亮点

1. 总结了多铁材料铁酸铋的最新研究进展。
2. 介绍和讨论了铋铁氧体的形貌、结构、性能及其在具有新功能的多铁材料器件中的潜在应用
3. 讨论和阐述了一些基于BFO纳米材料研究亟需解决的问题和对未来BFO材料研究的展望。
研究背景

多铁材料同时存在铁电、铁磁及铁弹性能,因此受到了人们的广泛关注,成为当今材料科学领域的研究热点。在众多单相多铁材料中,铁酸铋(BiFeO3, BFO)因为能够在室温及以上温度同时呈现铁电性和反铁磁性因此在传感器、信息存储、自旋电子器件以及光电系统等诸多方面有着极大的应用前景。
内容简介

中科院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员团队回顾并系统总结了近年来基于BFO的纳米材料的研究成果。

多铁纳米材料是指在单晶中可以同时具有多种特性的材料,例如铁电性,铁磁性和铁弹性。因此,它在多功能,低功耗和环保设备中具有广泛的应用。对于多铁性纳米材料,人们希望能在室温下将这些性能耦合。然而,实际上很少有多铁纳米材料能满足这种需求。已发现铁酸铋(BiFeO3, BFO)具有高于室温的铁电相变Curie温度(TC , 1103K)和G型反铁磁相变Neel温度(TN , 643K)。由于具有比较高的TCTN,BFO成为了最有前途和最广为人知的多铁性材料。

由于难以合成没有杂质相的BFO,因此经历了数十年对BFO 的研究才取得重大突破。在2003年,Wang等,首先报道了一种剩余极化强度(Pr)高达约55 µC/cm2的BFO薄膜。从那时起,一系列具有显著物理特性的BFO纳米材料逐渐被报道出来,包括BFO陶瓷,薄膜以及纳米结构。例如,研究发现在BFO陶瓷中具有较高的压电系数(d33)和TC值。BFO薄膜因为受到基底,晶格应变或缓冲层的影响,因此在BFO薄膜中往往可以获得相对较高的Pr。与BFO陶瓷和薄膜相比,BFO纳米结构具有显著不同的性能。由于具有比较大的表面积和不同的形态,BFO纳米结构往往表现出明显增强的可见光光催化能力和磁化强度。此外,由于具有较低的能带隙,BFO纳米材料还具有很强的光伏效应。由于其卓越的多功能性能,近年来,基于BFO的纳米材料吸引了研究者极大的研究热情。

这篇文章回顾了近年来基于BFO的纳米材料的研究成果,系统地分析了结构和形貌对多铁性性质的影响,并着重于其在多功能器件的应用。与此同时,我们还展望了基于BFO的纳米材料未来的发展方向和挑战。

图文导读

I BFO纳米材料的不同形貌

已报道的基于BFO的材料主要包括BFO陶瓷、薄膜和纳米结构。下图中列举了几种具有代表性的BFO材料的形貌。

图1. BFO纳米材料的不同形貌(a-d)陶瓷材料;(e-h)薄膜结构;(i-p)纳米结构。

II BFO纳米材料的晶体结构

BFO陶瓷体的晶体结构为扭曲的菱方钙钛矿结构,为R3m空间群。Bi3+偏离中心对称位置,导致BFO具有沿[111]的铁电极化性能,而Fe3+导致BFO具有垂直于极化方向的反铁磁平面(g型)。掺杂其他离子代替Bi3+或者Fe3+会使BFO的晶体结构发生变化。同时,添加其他ABO3材料与BFO形成固溶体,也会改变其晶体结构。对于BFO薄膜材料,其晶体结构还会显著的受到衬底类型,应变,以及厚度的影响。

图2.BFO材料的晶体结构以及影响因素。

III BFO纳米材料的性质和应用

铁酸铋材料具有优异的铁电、铁磁以及光伏和光催化性能,因此BFO材料在设计和开发具有各种新颖功能的器件方面显示出巨大的潜力,尤其是在电子学和光电子器件领域,例如非挥发性储存器件、储能器件、光电器件。图片3 中展现了应用BFO的铁电性能设计的各种非挥发性储存器件。

图3. BFO的铁电性以及在非挥发性储存器件中的应用。

BFO纳米材料在室温下具有磁电耦合的特性,为基于BFO纳米材料的磁场行为的人为调控提供了可能。因此,基于BFO的材料成为自旋电子器件领域应用的候选材料。图4a-c展现了应用BFO的磁电耦合特性制备的巨磁阻器件。在清洁能源和可再生能源需求不断增长的推动下,可将太阳能转化为电能的铁电光伏纳米材料受到越来越多的关注。与传统的铁电纳米材料相比,BFO基纳米材料具有窄带隙小、载流子输运性能好、光吸收特性好等独特的性能。因此,很多科研工作者制备了大量基于BFO纳米材料的光电器件。图4d-e展现了利用几种BFO的光伏特性设计的光电器件。

图4. BFO材料的铁磁性和光伏特性在巨磁阻和光电器件中的应用。
作者简介

杨亚

本文通讯作者

中科院北京纳米能源与系统研究所

研究员 博士生导师

主要研究领域

新能源纳米材料与器件: 铁电材料制备与器件; 复合与耦合纳米发电机; 自驱动传感器与系统。

主要研究成果

在材料学科国际顶级杂志发表SCI学术论文150余篇,第一作者/通讯作者影响因子大于10论文有100余篇,包括Energy& Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等。论文总引用数9500余次,H因子58。已申请或授权的中国专利40余项。获2018年国家自然科学二等奖,博士论文被评为2013年全国百篇优秀博士学位论文。担任国际学术会议分会主席5次,iScience、Nano-MicroLetters、Scientific Reports、Nanomaterials和Energies杂志编委委员,主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中科院国际合作交流项目等多项基金课题。

▍Email: yayang@binn.cas.cn

韩露

本文通讯作者

辽宁科技大学

副教授 硕士生导师

主要研究领域

功能微纳材料与器件: 能源光/光电催化材料;复合型纳米发电机。

主要研究成果

在材料学科国际顶级杂志发表SCI学术论文20余篇,包括Small、Nano-micro Letters等。已申请或授权的中国专利5项。主持国家自然科学基金、辽宁省自然科学基金、辽宁省教育厅优秀人才项目等10项基金课题。

▍Email: hanlu@ustl.edu.cn
撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在 Springer 开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。

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