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铁酸铋(BiFeO3，BFO)是至今唯一已知的室温单相多铁性化合物，由于其优异的电、磁、光性能，已成为研究的热点材料。目前针对BiFeO3的A位、B位掺杂及A、B位共掺杂金属离子的改性研究较多，而针对O位的非金属离子掺杂的研究相对较少。
本论文分别使用室温固相反应前驱体法、高温固相法、水热法，详细的研究了F、Cl、Br、I、B、C、N、S等非金属离子掺杂对BiFeO3粉体磁性能和光性能的影响。并使用MaterialsStudio5.5计算软件的CASTEP模块对卤素掺杂BiFeO3的光磁性能进行理论计算及机理探讨。
具体的工作包括以下几个方面:
(1)在多铁材料的研究中，纯相BiFeO3样品的制备一直是研究的热点，本论文探索了一种室温固相反应前驱体法制备BiFeO3粉体的新工艺。通过热处理温度、原料种类、NaNO3和聚乙二醇辅助等控制手段得到了BiFeO3微纳米粉末，使用室温固相反应前驱体法制备的BiFeO3粉体形貌以近球形颗粒为主，不同的热处理温度及原料可以使BiFeO3粒径在18nm到6oo nm之间有效调控。受量子尺寸效应影响，BiFeO3光学吸收带隙和磁性能随着粒径减小而呈现出明显增大的趋势，NaNO3的添加使颗粒分散性得以改善，聚乙二醇的添加使其磁性能显著增强。并且Cl、N非金属离子掺杂在增大磁性能的同时，能够减小吸收带隙，增强材料吸收太阳光的能力。
(2) BiFeO3材料在太阳能电池光电极、光解水制氢等方面有着广阔的应用前景。兼具可见光吸收特性和磁分离性质的BiFeO3，可以利用外磁场对材料在溶液中进行定位，并且回收分离后可重复使用，从而大大节约成本。BiFeO3的光伏性能与极化具有紧密联系，使其光伏特性的调控有望通过电场、磁场两种不同方式来实现。本论文用高温固相法合成了卤素(X∶Fe=1-10％，X=F, Cl，Br,I)原子掺杂的BiFeO3。发现卤素掺杂明显提高了BiFeO3样品的磁性能，掺杂样品的最大矫顽场为87-207 Oe，最大剩余磁矩为8.25×10-4-4.85×10-3 emu/g。最大矫顽场按:I-BFO＞F-BFO＞Br-BFO＞Cl-BFO＞纯相BFO变化，最大剩余磁矩按:Br-BFO＞F-BFO＞I-BFO＞Cl-BFO＞纯相BFO变化。掺杂样品的吸收带隙与未掺杂样品相比更窄。掺杂后样品的最小光学吸收带隙按:纯相BFO＞F-BFO＞Br-BFO＞I-BFO＞Cl-BFO变化(分别为2.2 ev、2.1 ev、2.07 ev、2.04 ev、2.02 ev)。
(3)目前新材料的设计和性能调控仍然常以“炒菜”式研究进行摸索和尝试。本论文使用Materials Studio5.5计算软件的CASTEP模块，利用密度泛函理论(DFT)和虚晶近似(VCA)的方法对卤素元素掺杂O位后BiFeO3的生成焓、结构和光、磁性质变化进行理论计算及机理探讨。分子模拟计算表明BiFeO3生成焓随F和Cl掺杂浓度的增加而减小，随Br和I掺杂浓度的增加而增加。BiFeO3晶格的c轴膨胀随卤素原子掺杂浓度和原子序数的增大而增加。DFT法计算得到卤素离子掺杂BiFeO3的能带结构图，发现卤素掺杂后可以明显减小BiFeO3的带隙，掺杂后BiFeO3的带隙按:I-BFO＞Br-BFO＞Cl-BFO＞F-BFO＞纯相BFO变化与实验结果相近。CASTEP计算表明:卤素低掺杂时BiFeO3从反铁磁向铁磁性转变;而高掺杂时铁磁性又向反铁磁性转变，计算结果与实验结果一致。
(4)由于形状的各向异性及径向尺寸限定作用，非等轴形貌的颗粒在磁性能和光性能方面都具有优势。同时，非金属掺杂对形貌具有调控作用。研究非等轴形貌与非金属掺杂协同作用下BiFeO3的磁、光性能的变化规律具有重要的科研价值。本论文在水热体系中研究了非金属离子(X∶Fe=1-10％，X=F，Cl，Br，I，B，C，N，S)掺杂对BiFeO3物相结构、非等轴微观形貌的作用规律。XRD测试表明非金属掺杂后，BiFeO3晶格以膨胀为主，仅在B低掺杂时发现了晶格的收缩。受非等轴形貌和非金属掺杂协同作用的影响，水热法比高温固相法更加明显地提高了BiFeO3样品的磁性能，掺杂样品的最大矫顽场为319-2650 Oe，最大剩余磁矩为7.6×10-3-7.7.×10-2 emu/g。最大矫顽场按:B-BFO＞Cl-BFO＞C-BFO＞N-BFO＞F-BFO＞I-BFO＞S-BFO＞Br-BFO＞纯相BFO变化，最大剩余磁矩按Cl-BFO＞F-BFO＞B-BFO＞C-BFO＞N-BFO＞S-BFO＞I-BFO＞Br-BFO＞纯相BFO变化。与固相法得到的粉体相比，水热反应得到的非等轴形貌粉体的光学带隙变窄。吸收带隙按:Br-BFO＞I-BFO＞C-BFO＞Cl-BFO＞N-BFO＞B-BFO＞纯相BFO＞S-BFO＞F-BFO变化(分别为2.2ev、2.17 ev、2.15 ev、2.11 e、2.1 ev、2.04 ev、2.03 ev、2.01 ev、1.98 ev)。