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钛酸铋基多铁性和相关体系相图研究
摘要
钛酸铋（BTO）是一种重要的多铁性材料，具有非常好的调控性质和广阔的应用前景。本文综述了BTO的多铁性质、相变行为和相关体系相图，深入探讨了不同原子掺杂和界面调控对BTO多铁性和热稳定性的影响。文中还讨论了BTO及其复合材料在热电、储能、传感等领域的应用前景，为BTO的进一步研究和应用提供了参考。
关键词：钛酸铋；多铁性；相变行为；界面调控；应用前景
1.引言
多铁性表示材料可以同时展现电、磁、弹等多种性质，是一类功能材料中最为重要和研究热点的一类。面对全球碳减排、新能源开发和电子信息技术的蓬勃发展，多铁性材料的研究和应用愈发受到关注。钛酸铋（BTO）作为一种典型的多铁材料，具有优异的磁介质性能、良好的铁电性能和光学性能，被广泛应用于电子、光学、声学和传感等领域。
本文主要针对近年来BTO的多铁性及其相关体系相图进行综述，包括BTO的结构、物性及相关体系相图的研究现状、不同元素的掺杂对BTO多铁性的影响、界面调控对BTO多铁性和热稳定性的影响、BTO复合材料在热电、储能、传感等领域的应用等方面，旨在为BTO材料的更好研究提供参考。
2.BTO的结构和多铁性
BTO是一种具有钙钛矿结构的化合物，在常温下为单斜晶系，晶体结构可参见图1。BTO是一种铁电材料，在自发极化的作用下，其电子构型发生了改变，使得材料对外部电场产生响应。BTO还具有磁介质性能，其磁和电性质的相互作用使得材料呈现出多铁性质。BTO的基本性质和结构决定了其广泛的应用前景。
图1BTO钙钛矿结构示意图
3.BTO的相变行为和相关体系相图
BTO的相变行为和相关体系相图一直是BTO研究的热点之一。在低温下，BTO的相变会发生多种形式的转变，如铁电相转变、磁相转变等。其中最为重要的是铁电相变，其转变温度可通过不同的外部场和引入杂质元素控制。如La、Ti等元素的掺杂可调控BTO铁电相变温度，不同掺杂浓度下BTO铁电相变温度变化如图2所示。
图2BTO掺杂浓度和铁电相变温度的关系
除此之外，还有一些方法可以调控BTO相变温度，如施加外部压力、光照效应等。例如，当施加高压时，BTO的相转变序列被改变，并且可实现较低温度的相变转变。表1列出了一些影响BTO相变的因素和相关实验研究。
表1影响BTO相变的因素及相关实验研究
近年来，随着技术的不断发展，BTO相关体系相图的研究也得到了重视。研究发现，BTO与其他多铁性材料形成的复合材料，可以通过调控BTO相变序列和氧化物表面的化学反应而形成各种不同的有序和无序复合材料，如BTO/Ni复合材料、BTO/TiO2复合材料等。在上述复合材料中，BTO起到了铁电材料的角色，而Ni或TiO2则能够影响磁学性质或光电性质，从而实现多铁性的应用。
4.不同元素的掺杂对BTO多铁性的影响
近年来，通过掺杂或合金化等方法来改善BTO多铁性的研究也得到了广泛关注。掺杂元素如La、Ca、Mn、Fe等，可以调节BTO晶体结构和电子结构，进而影响铁电相变温度和磁学性质。下面对几种掺杂元素的研究进展进行综述。
（1）La掺杂
La掺杂是一种可有效提高BTO多铁性的方法。研究发现，La掺杂可以明显降低BTO的铁电相变温度，提高介电响应和磁滞回线，从而增强材料的多铁性。例如，La掺杂浓度为x=0.05的BTO在低场下具有显著的铁电和磁性性质，且在不同掺杂浓度下的称为图3(a)和图3(b)所示。
图3La掺杂浓度对BTO铁电性质和磁学性质的影响
（2）Mn掺杂
Mn掺杂也是一种有效提高BTO多铁性的方法之一。研究表明，Mn掺杂可以提高BTO的磁介质性能，在低温下可实现反铁磁性。然而，较高浓度的Mn掺杂会导致BTO的晶体结构发生改变，从而影响铁电性质。例如，掺杂浓度为x=0.2的BTO在低温下显示出反铁磁性，但同时失去了铁电性能。
（3）Ca、Fe掺杂
Ca掺杂可以提高BTO对外电场的响应，但较高浓度的Ca掺杂会降低BTO的铁电性质。Fe掺杂可以在低温下实现BTO的反铁磁性，但高浓度的Fe掺杂会导致晶体结构的变化，影响铁电性质和介电响应。
总体来说，不同元素的掺杂对BTO多铁性的影响与掺杂浓度和相互作用方式密切相关，需要针对具体研究目标和应用需求进行合理选择和调控。
5.界面调控对BTO多铁性和热稳定性的影响
界面调控是一种有效提高BTO多铁性和热稳定性的方法之一。通过控制BTO与基底材料之间的界面结构和化学反应，可以调节材料的结晶方向和微晶尺寸，从而影响多铁性和热稳定性。近年来，研究发现，BTO与SrRuO3（SRO）复合材料可以实现多铁性强度的提高和热稳定性的改善。BTO/SRO复合材料通过界面调控的方式，使BTO在1200℃高温条件下仍能维持铁电相位，从而提高了其热稳定性。
6.BTO复合材料在热电、储能、传感等领域的