魏丽静，郭建新

(1.华北电力大学科技学院，保定 071051；2.河北大学物理科学与技术学院，保定 071002)

1 引 言

铁酸铋(BiFeO3)是一种多用途的钙钛矿铁电材料[1-3]。作为单相室温多铁材料，它具有高的铁电相变居里温度Tc=1103 K和反铁磁相变奈尔温度TN=643 K，是最具应用前景的磁电材料之一[1]。室温下，BiFeO3体材料呈现畸变钙钛矿的菱形结构，属于R3c空间群，铁电自发极化强度比较微弱，仅有5～10 μC/cm2[2-4]。制备成薄膜后，BiFeO3转变为四方钙钛矿结构，具有巨大的自发极化强度，达到100～150 μC/cm2[5-7]。但其反铁磁性使得BiFeO3的铁磁性很弱，影响了BiFeO3的磁电耦合效果，极大的限制了BiFeO3的实际应用。因此，提高BiFeO3的铁磁性对其应用具有十分重要的意义。通常，替位掺杂是一种有效的实验手段。科研人员使用Dy替代Bi，掺杂后结构的扭曲导致部分自旋结构被抑制，打破了Fe3+的反铁磁平衡，进而获得磁矩的增加[8]。也有研究人员使用非磁性金属原子Mg替换磁性原子Fe[9]，BiFeO3中原来的磁矩平衡被打破，使体系的磁性明显增加。除Bi位和Fe位的替换掺杂外，采用非金属原子替换BiFeO3的O位也是一种可选择的途径[10]。F作为第七主族元素，具有较高的电负性，化合价态为-1价，用来替代O原子，可以使Fe的价态发生改变，来调节BiFeO3的磁距。实验上，Hu等使用溶胶-凝胶法在BiFeO3中掺入不同比例的F形成BiFeO3-xFx[10]。结果发现，在x=0.25时，其铁磁性比未掺杂时提高了两个量级，F的比例对BiFeO3-xFx的影响至关重要。然而，该工作基于R3c空间群的菱方畸变钙钛矿的BiFeO3，此时的BiFeO3的极化强度比较小。四方结构的BiFeO3(T-BiFeO3)具有较大的极化强度，本文基于这种结构，采用第一性原理方法深入分析F掺杂后的BiFeO3的结构变化和磁矩大小，从微观上理解F掺杂提高的铁磁性的T-BiFeO3机制，为实验上制备出具有较好磁电耦合性能的多铁材料打下基础。……