铁酸铋薄膜光电性质及其铁电畴演变的研究(3)
其余还可以按照铁电体顺电相有无压电性、极性轴数目、力学性质和热学性质、相转变的微观机制等来进行分类。
1.1.3 铁电体的应用
从1920年Valasek发现罗息盐的铁电性起，人们对铁电体开始进行研究。铁电材料作为一类重要的功能材料，具有介电性、压电性、热释电性、铁电性等特性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要效应，可用于制作铁电存储器、热释电红外探测器、空间光调制器、光波导、介质移相器、压控滤波器等新型元器件。这些元器件在家电、通信、航空航天、国防等领域都具有广泛的应用前景，因此铁电材料成为近年来高新技术研究的前沿和热点之一。
如今铁电材料及其应用研究已成为固体电子学和材料物理学领域最热门的研究课题之一。随着半导体工艺的引入和发展，铁电学已经逐渐从研究阶段转化到实用阶段，一些初步的铁电微电子器件已经面世，并且正在向微型化、功能集成化发展。
1.1.4 BiFeO3的介绍
铁酸铋（BiFeO3，BFO）是目前发现的唯一一种在室温下同时具有铁电性与反铁磁性的多铁材料[2,3,4]，其居里温度是850℃，尼尔温度是370℃[5,6,7]。BiFeO3结构中Bi3+的6S2孤对电子与其6P空轨道或者O2-轨道进行杂化而导致电子云的非对称中心扭曲是BiFeO3产生铁电性的主要原因，而且铁酸铋具有G型的反铁磁性，即BiFeO3晶体在室温下同时具有铁电有序和G型反铁电有序。因此，在非挥发性铁电存储器以及高温电子领域中，BiFeO3成为了一种热门研究材料[8]。
铁酸铋为类钙钛矿结构，室温下空间群为R3c，晶格结构属于菱形晶系，其结构可以看作理想的钙钛矿立方沿着<111>方向拉长形成菱形晶系，其单位晶格常数a=b=c=5.64Å，夹角为α=β=γ=59.348°。晶体结构如图1.2所示，沿<111>方向Bi原子相对于Fe-O八面体位移，使晶胞失去对称中心而产生极化。
图1.2 BiFeO3扭曲钙钛矿斜吹冰面结构
究其原因，主要是由于阳离子之间存在晶格失配，从而使得高对称性的立方钙钛矿结构不能稳定存在。因此，为了减小晶格失配所产生的影响，以及使整个体系能够稳定存在，Bi离子和FeO６八面体会沿着[111]方向协调旋转，从而形成了一个扭曲的钙钛矿斜吹冰面体晶体结构。BiFeO3主要沿着其四条对角线方向来进行自发极化的，因此在其它方向，宏观上测得的极化都是对角线极化的投影，如在BiFeO3晶体中，其（001）方向的分量，极化强度大小约为60uC/cm2[8,9]。而影响BiFeO3薄膜的晶体结构从而改变其性质的因素有很多，在生长外延薄膜的时候，衬底晶向会对薄膜的生长择优取向产生巨大的影响。此外，薄膜的生长厚度、热应力以及衬底晶格失配产生的应力都会对薄膜的晶体结构和性质产生影响。
1.1.5 BiFeO3的现状
迄今为止，虽然研究了许多种铁电材料，但有望运用到实际的铁电材料却寥寥无几。针对这一问题，经过多年研究，普遍认为目前主要存在以下几个问题：（1）通常情况下，大部分铁电材料的结构比较复杂，从而合成制备就相对比较困难；（2）大部分铁电材料的居里温度远低于室温，而且其磁性转变温度也相对比较低，这就使得其在实际应用方面受到很大限制；（3）在铁电材料中，或多或少会存在变价离子和挥发性成分，因此在制备过程中很容易产生缺陷，使得材料的漏电流较大，影响材料的性能。
BiFeO3作为铁电材料的一种，在室温时同时具有铁电性和铁磁性，所以BiFeO3材料具有很好的科研价值和实际应用价值，是最有希望得到广泛应用的铁电材料。近年来，在铁电性、铁磁性和磁电输出特性等方面[10,11]，对BiFeO3基陶瓷和薄膜材料做了大量的研究，并取得了不少新进展。大量文献表明：如果在BiFeO3中掺入其它杂质，尤其进行稀土掺杂，能够显著地改善BiFeO3的铁电性、铁磁性和磁电输出特性，这极大地提高了其应用价值。近年来，许多研究学者为了减少BiFeO3的漏电流，使用烧结和其它钙钛矿氧化物的固溶体。但是，大量掺入其它钙钛矿氧化物固溶体，肯定会导致Fe3+含量的减少，影响BiFeO3的铁电性能[12]。
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