多铁材料是指在某一定温度范围内同时具有铁电性、铁弹性和铁磁性等性质的材料,该材料在功能传感器、自旋器件等方面的潜在应用已经被广泛研究。BiFeO₃是备受关注的多铁材料之一,它是一种扭曲的三角钙钛矿结构,属于R3C空间群,其尼尔温度TN=643 K,居里温度为Tc=1103 K,室温下表现出共存的铁电性和弱的反铁磁性以及磁电耦合效应。然而,BiFeO₃材料存在较大的漏导电流,不可能测量到饱和的电滞回线和较大的剩余极化强度（Pr）值,严重阻碍该材料在电子器件及信息存储等领域的广泛应用。针对漏导电流和较弱磁性这一关键性问题,科研工作者相继开展了掺杂替代的方法来改善BiFeO₃的电输运、提高其铁磁特性,对BiFeO₃材料在磁存储方面的实际应用也具有重要的意义。本文通过氧含量、稀土掺杂对BiFeO₃电输运、介电、铁磁性及高温磁相变影响开展工作,重点围绕BiFeO₃的铁磁特性及高温磁相变这一课题进行研究,其创新点在于发现氧含量与BiFeO₃反铁磁结构之间的依赖关系、BiFeO₃在878K存在磁性变这一的物理现象,并采用不同元素(Ca²⁺、Ho³⁺、Gd3+及Co3+)在不同位置（A位或A和B位）进行掺杂,降低漏导电流,提高磁性,进一步证实BiFeO₃在878K存在磁相变这一属性,总结出反铁磁超交换作用和G型反铁磁结构的稳定性是影响BiFeO₃的TN,TM变化的两大因素这一结论。内容包括以下几个方面:（1）氧含量对BiFeO₃的电输运、铁磁性及磁相变的影响。采用溶胶凝胶法制备不同氧含量的Bi Fe Oδ（δ=2.67,2.95,3.02）样品,研究了氧含量对BiFeO₃的晶体结构、电输运、铁磁特性及高温磁相变影响。从XRD图谱发现氧含量的变化没有改变BiFeO₃的晶体结构。SEM微观形貌揭示BiFeO₃晶粒尺寸随氧含量的增加而减小。XPS测量结果证明了Fe3+和Fe2+共存于Bi Fe Oδ样品中,随着氧含量的增加,Fe2+逐渐减小,Fe3+/Fe2+的比例逐渐增大。在室温下,Bi Fe Oδ样品的磁滞回线没有随着氧含量的变化而变化,呈现较弱的铁磁性,氧含量对其磁性影响不大。当δ=2.95,3.02时,样品的磁化强度在370℃处发生反铁磁结构相变,表现出典型的反铁磁特性,而当δ=2.67时,样品的磁化强度随着温度的升高呈线性变化,揭示了其所具有的顺磁特性。结果表明BiFeO₃样品的反铁磁有序与氧含量存在较强的依赖关系,当δ=2.67,较低的氧含量完全破坏了BiFeO₃样品原有的反铁磁有序。这与文献中关于氧空位可以提高BiFeO₃样品铁磁性的报道不同,本文的实验结果表明氧空位对BiFeO₃样品铁磁序的影响甚微。（2）Ca掺杂对BiFeO₃的介电特性、铁磁性及高温磁相变的影响。采用溶胶凝胶法制备Bi_1-xCa_xFeO₃（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2）样品。Ca²⁺对BiFeO₃的介电特性、铁磁特性等物性进行了系统的研究。随着Ca掺杂量的增加,BiFeO₃样品由（104）和（110）两个特征衍射峰形成（110）一个特征峰,Bi_1-xCa_xFeO₃样品晶体结构由斜方晶系转变为正方晶系;SEM形貌分析可知,晶粒由原来的0.5mm逐渐增大到2mm;Bi_1-xCa_xFeO₃样品介电常数和介电损耗随着掺杂量（x）的增加先增大而后减小。当f=1k Hz,Bi0.9Ca0.1Fe O3的介电常数达到最大值,是BiFeO₃的7.5倍,而Bi0.8Ca0.2Fe O3的介电常数达到最小值,仅仅是BiFeO₃的十分之一。BiFeO₃样品的铁磁性随着Ca²⁺掺杂量的增加而大幅度提高。XPS谱图表明Fe2+和Fe3+共存于Bi_1-xCa_xFeO₃样品中,Fe2+/Fe3+比例随着Ca²⁺掺杂量的增加而增大,证明Ca²⁺掺杂增加了样品中Fe2+的含量,增强BiFeO₃的铁磁特性。从M-T曲线观察到BiFeO₃样品在878K附近发生铁磁相变,DSC测试再次证明BiFeO₃在878K发生相变。Ca²⁺掺杂导致BiFeO₃的尼尔温度（TN）有所变化,磁相变温度（TM）基本不变,这主要是Fe3+-O2--Fe3+反铁磁超交换作用较强和G型反铁磁结构相对稳定两个方面的因素。（3）Ho掺杂对BiFeO₃电输运、介电特性、铁磁性及高温磁相变的影响。系统研究了Ho³⁺掺杂对BiFeO₃的晶体结构、介电特性及高温磁相变温度的影响。随着Ho³⁺掺杂量的增大,由原来的（104）和（110）两个衍射主峰逐渐形成合并为一个（110）,表明BiFeO₃样品的晶体结构由斜方晶系相变为正交晶系;Bi_1-xHo_xFeO₃样品的电学输运测量结果表明Ho³⁺掺杂减小漏导电流;Bi_1-xHo_xFeO₃样品的介电常数和介电损耗随着频率和掺杂量的变化而变化,这归因于氧空位、Fe2+、晶格相变三者的共同作用;Ho³⁺掺杂的结果使BiFeO₃样品具有完整的磁滞回线并在室温下呈现弱的铁磁特性,使BiFeO₃材料的尼尔温度（TN）从644K降低到632K,磁相变温度（TM）从原来的878K降到840K。Fe3+-O2--Fe3+较强的反铁磁超交换作用和磁结构的稳定性是影响BiFeO₃材料的TN,TM变化的主要因素。所有样品在高于900K均呈现顺磁性,低于840K呈现铁磁性,这也证实了BiFeO₃在878K附近发生铁磁相变的真实性。（4）Gd,Co共掺杂对BiFeO₃电输运、介电特性、铁磁性及高温磁相变的影响。采用快速液相烧结法制备Bi0.95Gd0.05Fe1-xCoxO3（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2）陶瓷样品。随着Co3+掺杂量的增加,BiFeO₃的两个主衍射峰（110）和（104）逐渐合并成一个较宽的（110）峰。这说明随着Co3+掺杂量的增加,BiFeO₃由斜方晶系转变到正交晶系。通过SEM形貌发现:Bi0.95Gd0.05Fe1-xCoxO3样品的晶粒尺寸与BiFeO₃相比大约减少10倍。Gd、Co共掺杂改善BiFeO₃样品介电特性、降低BiFeO₃的漏导电流;在10KV电场作用下,Bi0.95Gd0.05Fe O3样品漏导电流低于BiFeO₃两个数量级;BiFeO₃和Bi0.95Gd0.05Fe O3在室温下呈现较弱的铁磁特性,而Bi0.95Gd0.05Fe1-xCoxO3样品的剩余磁化强度分别是BiFeO₃的34、60、105、103和180倍,具有较强的铁磁特性;Bi0.95Gd0.05Fe1-xCoxO3样品的TN从644K升高到655K,这归功于BiFeO₃晶体结构变化及Gd3+的4f电子和Co3+3d电子的相互作用,而Bi0.95Gd0.05Fe1-xCoxO3样品TM的改变主要是Fe–O–Fe超交换的强度和磁结构的稳定性,其在780K以下呈现铁磁特性,在878K以上呈现顺磁性,这再一次证明BiFeO₃样品的铁磁相变发生在878K。