纳米能源所杨亚老师综述：纳米BFO的结构、性能与应用

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(T_C , 1103K)和G型反铁磁相变Neel温度(T_N , 643K)。由于具有比较高的T_C和T_N，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(P_r)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T_C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P_r。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。

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。