近日，我所在铁酸铋（BiFeO3）多铁性陶瓷相变动力学领域取得重要进展。相关成果以题为“准同型相界Bi0.85Nd0.15FeO3陶瓷的动态电磁响应”的论文发表在物理、材料领域TOP期刊《Materials Today Physics》（JCR IF 10.4，实时IF 9.298）上。我校为第一通讯单位，青年教师张洪军和张利伟为论文共同第一作者，柯华副教授和中科院物理所董晓莉研究员为论文通讯作者。
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，BiFeO3则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，自发磁化则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，但准同型相界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”。
针对这一重要问题，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。
Bi0.85Nd0.15FeO3陶瓷局部应变分析（左图）和动态电学响应曲线（右图）
第一通讯作者柯华副教授自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，这些成果多次发表于《Scripta Materialia》（158: 71-76, 2019.；164: 6-11, 20191；127: 29-32, 2017；135: 80-83, 2017）等材料学权威期刊，多篇文章他引超百次。
以上研究受到了国家自然基金（50902033，51472063，51772065），中科院物理研究所等的大力支持。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542529321002200