多铁材料是指在一定温度范围内同时具有两种或两种以上铁性体特征的材料，铁性体特征包括铁电性(反铁电性)、铁磁性(反铁磁性)、铁弹性(反铁弹性)等^[1-4]。BiFeO₃是少数在室温下同时具有铁电性和铁磁性的单相多铁材料之一。BiFeO₃的铁电居里转变温度为1 104 K，反铁磁尼尔转变温度为643 K。BiFeO₃在室温下为扭曲的三方钙钛矿结构，空间群为R3c。自从20世纪60年代BiFeO₃被发现以来，其结构和性质已有广泛的研究。高压下BiFeO₃晶体结构变化一直是研究的热点。2006年，Ravindran等^[5]通过第一性原理计算预测，当压强升高到13 GPa时，BiFeO₃将从R3c结构转变为正交相Pnma结构。Haumont等^[6]和Guennou等^[7]的研究也证实了这一点。但是Haumont等^[6]认为在BiFeO₃从R3c结构转变为正交相Pnma的过程中，还存在一个不确定的过渡相；随后他们采用X射线衍射(X-Ray Diffraction，XRD)测试确定了过渡相为单斜晶系C2/m^[8]。而Guennou等^[7]则认为在R3c和Pnma之间还存在3种过渡的正交相。至今在0~20 GPa压强范围内，BiFeO₃晶体结构的变化一直存在争议。

图 1列出了2006年以来关于BiFeO₃在高压下结构变化的部分研究结果。由图 1可以看出，BiFeO₃从R3c结构完全转变为正交相Pnma发生在10 GPa左右。在40 GPa以上的高压区，BiFeO₃的结构变化依旧存在一定争议。随着压强的升高，正交相Pnma可能转变为正交相Pnmm，也可能转变为更高对称性的立方晶系。

图  1  BiFeO₃的高压拉曼光谱测试实验结果总结(其中PTM代表传压介质)

Figure  1.  Schematic summary of Raman of BiFeO₃ (Where PTM denotes pressure transmitting medium)

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原位XRD测试和拉曼光谱测试是获得高压下结构转变行为最主要的两种测试方法。本研究利用原位拉曼光谱和金刚石压腔(Diamond Anvil Cell，DAC)技术，测量0~44 GPa下BiFeO₃的拉曼光谱。

1.   实验

BiFeO₃粉晶采用六面顶大压机在高温高压下合成^[11]。将高纯金属氧化物Bi₂O₃(纯度≥99.9%)和Fe₂O₃(纯度≥99.9%)粉末按化学计量比混合，研磨均匀后利用模具压制成片。样品置于钼样品腔中，采用叶蜡石为传压介质，石墨管加热。将立方体组装块放入六面顶大压机中，在3 GPa压强下加温至800 ℃，保温15 min后降低加热功率使样品温度降至室温，然后缓慢卸压。合成的样品通过充分研磨后进行铜靶X射线衍射测试，对样品进行结构分析。

高压拉曼光谱实验中使用对称型金刚石压腔对BiFeO₃粉晶进行加压，金刚石对顶砧台面直径为300 μm。采用厚度为250 μm的金属铼作为垫片，垫片预压厚度约为40 μm，样品孔直径约为120 μm。BiFeO₃样品经充分研磨后被压成薄片放入样品腔内，充入氖气作为传压介质，在靠近样品的位置放一颗红宝石，通过红宝石的荧光峰计算压强^[12]。原位拉曼光谱测试在型号为Omni-λ500的国产三光栅拉曼光谱仪上完成，激发光源为532 nm激光，测量波数范围为0~500 cm^-1。

2.   结果与分析

2.1   XRD分析

常压下BiFeO₃粉晶样品的X射线衍射谱如图 2所示。仪器型号为德国布鲁克AXS公司生产的D8 Advance X射线衍射仪，扫描步长为0.02°，扫描范围为10°~80°。

图  2  常温常压下BiFeO₃粉晶样品的XRD谱图

Figure  2.  X-ray diffraction pattern of BiFeO₃ powder at ambient conditions

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从图 2中可以看出，BiFeO₃样品XRD图谱的每个衍射峰均能指标化为R3c结构，无多余的衍射峰。这说明所合成的BiFeO₃粉晶样品为纯相结构，没有其他杂相。相比于传统的固相烧结法，高压下合成BiFeO₃纯相具有加热时间短、化学反应彻底的优势。

2.2   微结构表征

图 3为BiFeO₃粉晶粉末样品的扫描电镜(Scanning Electron Microscope，SEM)二次电子像。仪器型号为JSM-IT300，放大倍数为500倍，加速电压为20 kV。

图  3  BiFeO₃样品SEM像Fig. 3 SEM image of BiFeO₃ sample

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由图 3中可以看出，BiFeO₃晶粒比较均匀，晶粒边缘清晰，粒径(直径)约为10 μm。图 4为BiFeO₃粉末样品经过镀碳处理后测得的元素能谱图(Energy Dispersive Spectrum，EDS)。元素Bi和Fe的摩尔比约为1:1。

图  4  BiFeO₃样品的元素能谱图

Figure  4.  EDS spectrum of BiFeO₃ sample

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2.3   高压拉曼光谱分析

图 5为BiFeO₃粉晶在不同压强下的拉曼光谱。在室温下，BiFeO₃样品为扭曲的三方钙钛矿结构，空间群为R3c。根据群论分析，Г_Raman=4A₁+9E，其中只有A₁模式位于100 cm^-1以下。从图 5可以看出，随着压强的升高，低波数的拉曼峰开始向右迁移并变宽。位于145、177和231 cm^-1的拉曼峰逐渐减弱，表明BiFeO₃晶体结构开始发生变化。直到压强升至5 GPa左右，位于145 cm^-1的拉曼峰消失，与此同时在217 cm^-1处出现新的拉曼峰，标志着BiFeO₃发生第1次相变。由BiFeO₃拉曼振动模式随压强的变化(见图 6)可以看出，大约5 GPa时，177 cm^-1处的拉曼峰突然向高波数偏移，与Yang等^[9]的实验结果一致。第2次相变发生在11 GPa左右，位于340 cm^-1处的拉曼峰显现，与此同时低波数(＜200 cm^-1)拉曼峰消失，谱线上仅剩下两个明显的拉曼振动峰。Buhot等^[13]的实验显示：在BiFeO₃转变为Pnma结构时，整条谱线上仅有两个明显的拉曼峰；并且随着压强的增大，高波数的拉曼峰向右偏移，而低波数的拉曼峰向左偏移。这说明在13.3 GPa时，BiFeO₃已经完全转变为正交晶系Pnma结构。Guennou等^[7]和Haumont等^[8]的实验显示，BiFeO₃从R3c结构转变为Pnma结构的过程中存在一个过渡相，可能为正交晶系或者单斜晶系C2/m。由此可以暂时推论，BiFeO₃在5~11 GPa的压强区间内，可能处于从R3c结构向正交晶系Pnma结构转变的过渡结构，确定其空间群还需要进一步的XRD实验。随着压强的继续增加，位于340 cm^-1处、属于正交晶系Pnma结构的拉曼峰强度逐渐减弱，并在压强达到40.6 GPa之后消失。此时谱线上并无任何明显的拉曼振动峰，说明BiFeO₃在38 GPa左右处发生了第3次结构相变。根据前人研究结果，BiFeO₃在40 GPa附近可能会由Pnma结构转变为Pnmm或更高对称性的立方晶系结构，拉曼光谱无法给出高压相的晶体结构，还需通过高压下的原位XRD实验确定。

图  5  不同压强下BiFeO₃的拉曼光谱图

Figure  5.  Raman spectra of BiFeO₃ under different pressures

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图  6  不同压强下BiFeO₃的振动模式Fig. 6 Pressure dependence of all the vibrational modes of BiFeO₃ sample

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3.   结论

通过六面顶大压机在高温高压下合成了纯的BiFeO₃粉晶样品，并结合金刚石压腔和拉曼光谱测试，得到了BiFeO₃粉晶在高压下拉曼光谱的变化。结果表明，BiFeO₃粉晶在0~44 GPa的压强变化过程中发生了3次结构相变:(1)在5 GPa左右，BiFeO₃由常压下扭曲的R3c结构可能转变为单斜晶系C2/m或者特征峰不明显的正交晶系；(2)在11 GPa左右，BiFeO₃进一步转变为正交晶系Pnma结构；(3)在38 GPa附近，BiFeO₃发生第3次结构转变，可能由正交晶系Pnma结构转变为Pnmm结构或更高对称的立方晶系。整体相变过程与Yang等^[9]的实验结果类似，在5~11 GPa的过渡区间和38 GPa以上的压强区间不能确定晶体结构。BiFeO₃高压相的具体晶体结构将在之后的研究中结合原位高压XRD实验确定。