单相多铁性材料_极化和磁性序参量的耦合与调控
单相多铁性及磁电复合材料的制备与研究
单相多铁性及磁电复合材料的制备与研究单相多铁性及磁电复合材料的制备与研究引言：随着科学技术的进步和材料学的发展，单相多铁性材料及磁电复合材料成为研究的热点。
单相多铁性材料具备多种功能，如同时具有铁磁、铁电和多铁性等特性，具有广泛的应用前景。
而磁电复合材料能够将磁性和电性完美结合，具有重要的理论研究价值和实际应用价值。
本文将介绍单相多铁性及磁电复合材料的制备方法和研究进展。
第一部分：单相多铁性材料1. 单相多铁性材料的概念和特点单相多铁性材料是指在同一相中同时存在铁磁性和铁电性的材料。
它具有多种功能，如由于磁场的改变而产生的电极化效应（磁电耦合效应）、由于外加电场的改变而引起的磁化效应（电磁耦合效应）等特性。
单相多铁性材料在信息存储、传感器、磁电器件等领域具有广泛的应用前景。
2. 单相多铁性材料的制备方法目前，用于制备单相多铁性材料的方法主要有化学法、物理法和化学物理复合法。
其中，化学法主要包括溶胶-凝胶法、水热法和燃烧法等；物理法主要包括分子束外延、磁控溅射和离子束辐照等；化学物理复合法主要包括溶胶燃烧法和机械合金化法等。
这些方法各有特点，可以根据需要选择合适的方法进行制备。
3. 单相多铁性材料的研究进展单相多铁性材料的研究进展主要集中在以下几个方面：（1）材料的合成及表征：研究人员通过优化制备方法，成功合成了多种单相多铁性材料，并对其进行了表征。
例如，采用溶胶-凝胶法制备的铁磁性和铁电性同时具备的材料具有良好的结晶性和稳定性。
（2）多铁性机制研究：通过理论计算和实验研究，揭示单相多铁性材料的多铁性机制。
例如，通过第一性原理计算发现，多铁性材料的多铁性机制与晶格畸变和电子结构密切相关。
（3）功能调控与应用：通过调控材料的组分、结构和纳米尺度的界面效应等手段，实现单相多铁性材料的功能调控。
例如，研究人员通过控制磁场和电场的作用，实现了对多铁性材料的多功能调控。
第二部分：磁电复合材料1. 磁电复合材料的概念和特点磁电复合材料是指由磁性材料和电性材料组成的复合材料。
研究方向课报告
研究方向课报告多铁性材料铁酸铋（BFO）的磁性研究姓名：吴闯学号：B2015013导师：姜伟成绩：1、引言：随着工业和经济的发展，全球的环境问题变得越来越严峻［1］。
铁酸铋作为唯一的室温多铁材料，同时具有铁电性和G 型反铁磁性［2］。
由于铁酸铋在自旋电子器件和铁电存储方面的应用潜力，对铁酸铋材料的研究已经成为多铁材料研究中的一个重要方向［3］。
然而，由于其Ｇ型反铁磁结构导致了宏观上极其微弱的磁性，极大地限制了实际应用。
多铁性材料是目前受到人们广泛重视的新兴的功能材料之一，这种功能材料为发展基于铁电—磁性集成效应的新型信息存储处理以及磁电器件提供了巨大的潜在应用前景。
Bi Fe O3是当前唯一同时在室温以上表现出铁电性和反铁磁性的多铁性材料。
早在20 世纪50 年代时，Bi Fe O3这个材料就受到关注。
Bi Fe O3铁电、多铁性和磁电耦合特性、光学特性等物理，以及Bi Fe O3为基础而构造的多铁性异质结、多铁隧道结、以至于自组装纳米结构和超晶格等体系具有奇异的物理特性，都是人们研究的热点。
实验方面，人们在Bi Fe O3基铁磁电陶瓷、Bi Fe O3掺杂以及Bi Fe O3薄膜制备都有不俗的进展。
但是对于Bi Fe O3磁电耦合效应的理论研究相对较少，尤其是BiFeO3复合薄膜中的界面效应研究更是较少。
对于磁电耦合性质的研究有重要意义。
因此，研究多铁性材料Bi Fe O3等电子结构和磁性，弄清磁电效应产生的微观物理性质有重要的意义。
本人通过查阅大量关于铁酸铋（BFO）的相关文献及研究方法，设想基于从第一性原理出发，通过基于密度泛函原理的理论计算方法，通过替位参杂的方法来加强和改善BFO的磁性。
通过研究单元素参杂（Zn和Mn）和Zn、Mn双元素共参杂下BFO的结构、磁性、铁电性和介电性能，通过使用Material Studio和VASP对几种结构进行运算来试图找到提高BFO磁性的最佳方案。
2.BFO材料的研究进展2.1.1 ＢＦ０的晶体结构及性能多铁性是指同时具有两种或以上“铁性”特征（铁磁性、铁电性、铁弹性等）的材料[4]。
功能基元序构
功能基元序构
随着电子器件集成化程度越来越高，器件尺寸越来越接近摩尔定律极限，发展新型的功能器件，为器件设计提供新的自由度，成为一大前沿研
究课题。
多铁性材料一般指同时具有铁电性与铁磁性的一类多功能材料，
它能同时对外加磁场和外加电场产生信号响应，在大规模信息存储、非易
失性随机存取、存算一体等下一代新型微电子器件设计中具有重要的科学
意义和应用前景。
基于负压力效应的(EuTiO3)0。
5:(MgO)0。
5垂直有序纳米复合薄膜
在铁电-铁磁转换和自旋-轨道耦合效应等方面展现出巨大的前景。
这项研
究工作证明，三维应变产生和垂直有序界面是负压力效应的两个关键因素。
此外，负压力效应可以调控多铁材料中自旋-轨道耦合，我们建立了理论
模型来解释两者之间的相互作用效应。
该工作为实现单相多铁性物性调控
效应开辟了新的道路，对未来的单相多铁材料和磁电耦合应用发展提供理
论和实验基础。
极性磁体的多铁性研究进展
㊀第40卷㊀第11期2021年11月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.40㊀No.11Nov.2021收稿日期:2021-07-14㊀㊀修回日期:2021-10-18基金项目:强磁场下多磁矩协同多铁性物理效应与机理(11774106)第一作者:常钰婷,女,1995年生,博士研究生通讯作者:陆成亮,男,1981年生,教授,博士生导师,Email:cllu@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202107021极性磁体的多铁性研究进展常钰婷,陆成亮(华中科技大学物理学院,湖北武汉430074)摘㊀要:单相多铁材料同时具有(反)铁磁性㊁铁电性和铁弹性等两种或两种以上的基本铁性序,并且这些铁性序之间相互耦合,以及外场对其交叉调控产生的新效应,为新型信息多功能器件的设计和开发提供了契机㊂近年来,一类被称为极性磁体的多铁性材料在很高温度下即可具有非中心对称的特征,出现空间反转对称破缺,展现出丰富的物性,如高温磁电耦合和非互易输运等,成为多铁性研究领域新的关注点㊂简要总结了已有的极性磁体多铁性材料体系及其中所蕴含的新效应和新物性,并对这一研究分支所面临的挑战作出展望㊂关键词:铁磁性;铁电性;单相多铁材料;极性磁体;磁电耦合中图分类号:O482㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2021)11-0871-09Research Progress on Multiferroicity and Magnetoelectric Coupling of Polar MagnetsCHANG Yuting,LU Chengliang(School of Physics,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)Abstract :The terminology multiferroics refers to materials where multiple ferroic orders coexist,i .e.(anti)ferromag-netism,ferroelectricity,and ferroelasticity.The intimate coupling of the ferroic orders,and the cross control of magnetiza-tion (electric polarization)by electric (magnetic)fields,provide opportunities for the design and development of conceptu-ally new multifunctional devices.In recent years,an emergent class of multiferroics known as polar magnets have character-istics of non-centrosymmetric and broken of space inversion symmetry at very high temperature,and show interesting physical properties such as magnetoelectric coupling above room temperature and non-reciprocal behavior,which have attracted con-siderable attention.In this review,we briefly discuss recent research progress of the multiferroicity and magnetoelectric cou-pling of polar magnets,and try to present several future challenges of this field.Key words :ferromagnetism;ferroelectricity;single-phase multiferroics;polar magnets;magnetoelectric coupling1㊀前㊀言多铁性材料是指具有两种或两种以上基本铁性序(如铁磁性㊁铁电性㊁铁弹性和铁环性)的新型功能材料㊂多铁性材料蕴含丰富的物性,实现了时间反演对称性破缺和空间反演对称性破缺共存,是过去约20年来凝聚态物理与材料物理研究的前沿热点㊂大体上,按照铁电性与磁性的关联,多铁性材料可以分为两大类[1]㊂其一是铁电性与自旋序相互独立,铁电居里温度可以很高,电极化能够与传统铁电体相比拟,但磁电耦合(magnetoelec-tric coupling)往往较弱,简称为第一类多铁材料,如经典多铁性材料BiFeO 3,以及一些氟化物和硫化物等;另一类是其中的铁电极化源于自旋序,磁电耦合往往显著,但铁电居里温度一般较低,电极化较小,简称为第二类多铁材料,这类材料也常常被称为磁致多铁性材料,如TbMnO 3等㊂随着研究的深入,人们发现这种多铁性的分类并不绝对,一些体系中可以同时存在两种铁电起源机制,如钼铁矿M 2Mo 3O 8(M 是过渡金属)家族便具有这一特征㊂人们对多铁材料的研究已有近百年的历史㊂20世纪50年代,科学家们从理论和实验上成功发现Cr 2O 3内存在磁电耦合效应[2-4]㊂但由于磁电耦合效率非常低,之博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷后很长一段时间里关于多铁性的相关研究发展缓慢㊂直到2003年,BiFeO 3薄膜[5]和TbMnO 3单晶[6]中多铁性以及显著磁电耦合效应的发现推动了多铁性领域的复兴,并由此进入近20年的快速发展时期㊂迄今为止,已发现的多铁性材料有很多,人们可以利用不同的外场(如电场㊁磁场)对其基本铁性序进行调控,实现不同铁性序之间的耦合[7]㊂多铁性研究的主要关注点是铁电序与自旋序之间的共存与耦合,实现利用外部电场控制磁序或外部磁场控制电极化,从而达到磁与电之间的交叉调控㊂传统上,磁性和铁电性的内在机制具有互斥性,如极化的产生往往需要空的d 轨道,而磁性则源于d 轨道或f 轨道未配对的电子,如图1所示[8]㊂多铁性与磁电耦合的发现将传统上缺乏内禀联系的铁电性与磁性两大类材料结合起来,实现铁电序与铁磁序的耦合,以此集成两种有序相的物性优势,为实现多态存储和电写磁读等应用提供了物理基础㊂图1㊀多铁家族的 根 机制[8]:多铁性源于几种不同的机制,不同类型的多铁材料由铁性序之间的耦合作用产生Fig.1㊀The multiferroic family tree [8]:multiferroicity results from the combined interplay of magnetic and ferroelectric mechanisms㊀㊀多铁材料中有一个特殊的亚群 极性磁体(polar magnet),它具有极性晶体对称群,在远高于室温的温度下即可出现空间反转对称破缺,表现出电极化㊂这种极性特征可源于磁性离子基团,为获得高温磁电耦合提供了基础[9]㊂与此同时,这些极性磁体还展现出新颖的非互易传输特性,成为近年来多铁性研究的一个新热点[10-13]㊂虽然已经发现的极性磁体数量很多,但对其磁电的研究却还不够深入㊂本文总结了近十年来极性磁体多铁性研究方面的主要进展,并简要讨论这类多铁材料的特性㊂按照以磁性起源来分类的原则,极性磁体往往难以严格区分为第一类或第二类,甚至一定程度上更类似于第一类多铁性体㊂极性磁体的极性结构可以稳定在较高温度,甚至接近于本身的成相温度,与磁有序没有明显关联,因而满足第一类多铁性特征㊂但是,如果这类材料中的磁有序能够产生铁电极化,则又具有第二类多铁性的物理属性,并且具有这种特征的极性多铁性材料有很多㊂因此,极性多铁性材料可以兼具第一类和第二类多铁性材料的物理特征[9,14,15]㊂为方便叙述,文中仍将以第一类极性和第二类极性多铁材料为起点展开讨论㊂2㊀第一类极性多铁材料第一类多铁材料中铁电性与磁性的起源相互独立,可以分别由铁电活性和磁性离子提供㊂截至目前为止,已经发现的第一类多铁材料很多,其中研究最多的是明星材料BiFeO 3㊂BiFeO 3属于极性晶体对称群R 3c ,具有很高的铁电居里温度和很大的极化强度,以及高于室温的反铁磁奈尔温度㊂在BiFeO 3中,Bi 的6s 孤对电子与氧原子的2p 轨道杂化引起Bi 3+离子的偏移,从而形成电偶极矩,产生铁电极化;Fe 的3d 电子则形成(倾斜)G 型反铁磁序[5,16]㊂类似的极性多铁材料还有BiCoO 3,在奈尔温度(~470K)以下该材料具有C 型反铁磁结构,且理论预测铁电居里温度可能在600K 以上,铁电极化高达~170μC /cm 2[17,18]㊂BiFeO 3和BiCoO 3的铁电性和磁278博看网 . All Rights Reserved.㊀第11期常钰婷等:极性磁体的多铁性研究进展有序都发生在室温以上,因此,从应用角度极具吸引力㊂六角晶系锰氧化物h-R MnO3(R是稀土元素或In)的铁电性源于几何阻挫(geometric frustration),也因此被称为几何铁电体[19-21]㊂这类材料的铁电性和磁性都与Mn 离子相关,且不同离子(Mn和R)间的相互作用导致体系有复杂的磁相图和新颖的物理现象㊂对于h-R MnO3而言, R是非磁性原子(Y,Lu,Sc和In)时,其磁性仅源于Mn 离子㊂以YMnO3为例,在铁电居里温度以下,晶胞中MnO5多面体发生倾斜,导致O2-偏向半径更小的Y3+,偏离中心位置的Y3+4d轨道和O2-2p轨道杂化,从而产生铁电性[22,23]㊂Shin等[24]的理论计算结果显示Y1 O3键沿c轴的电子密度分布在铁电居里温度附近发生突变,证明了轨道杂化的存在,如图2所示㊂德国Fiebig小组[25]用二次谐波法在YMnO3中观测到反铁磁畴和铁电畴的高度对应,反映了自旋与晶格两种自由度的耦合作用,从而揭示了其磁电耦合机制㊂相比于YMnO3,R是磁性原子时,系统的磁阻挫和磁电耦合更为复杂㊂如HoMnO3[26],Mn3+自旋各向异性导致面内自旋阻挫,而Ho3+自旋则沿c轴方向形成了类似伊辛(Ising)模型的反铁磁排列,且这种自旋阻挫结构与铁电性相关㊂h-R MnO3的铁电居里温度通常远高于室温,但其反铁磁奈尔温度却较低(~70K),能够通过自旋图2㊀1000K(a)和910K(b)时YMnO3的三维电子密度分布(基于最大熵方法的模式拟合结果)[24]Fig.2㊀Three-dimensional electron density distribution of YMnO3ob-tained by the maximum entropy method-based pattern fitting a-nalysis at1000K(a)and910K(b),respectively[24]晶格关联实现明显的磁电耦合㊂Bernd的综述[27]对该体系有更为全面的报道,因此该六角体系的其它多铁性材料在此处不再一一列举,其基本信息详见表1㊂六角铁氧体h-R FeO3(R=Y,Dy-Lu)也是几何铁电体的重要一员[33,36]㊂相比于h-R MnO3,六角铁氧体h-R FeO3往往具有更高的奈尔温度㊂室温多铁性和磁电效应使得h-R FeO3成为近年来研究较多的多铁性体系㊂部分h-R FeO3的物理参数列于表1中㊂表1㊀第一类极性多铁材料Table1㊀The type-I multiferroics of polar magnetsMaterials Space groups Structure T C/K T N/K P S/(μC/cm2)Ref. BiFeO3R3c Rhombohedral~1103K~650K~100[5,16] BiCoO3P4mm Tetragonal~600K~470K~170[17,18] ErMnO3P63cm Hexagonal~830K~79K~5.6[19] YMnO3P63cm Hexagonal~930K~70K~5.5[13,22-25] TmMnO3P63cm Hexagonal~570K~86K [22] HoMnO3P63cm Hexagonal~870K~76K~5.6[26] ScMnO3P63cm Hexagonal>700K~130K [28] InMnO3P63cm Hexagonal>700K~120K~7.8[29] YbMnO3P63cm Hexagonal~990K~80K~2.9[30] DyMnO3P63cm Hexagonal>700K~57K [31] LuMnO3P63cm Hexagonal~750K~90K [32] ScFeO3R3c Rhombohedral>273K~545K~100[34] InFeO3R3c Rhombohedralȡ600K~545K~96[35] h-LuFeO3R3c Hexagonal~1050K~440K~5[36] GaFeO3Pc21n Orthorhombic>273K~210K~20[37,38]378博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷3㊀第二类极性多铁材料第二类多铁材料中,特殊的自旋序排布导致空间反转对称性破缺,诱导出铁电性,铁电性和磁性一一对应,表现出很强的磁电耦合效应,因而是一众多铁材料中颇受关注的一类㊂正交晶系R MnO3[6]和R Mn2O5[39](R为稀土元素)是最早被发现存在磁致铁电的材料体系,随后在很多材料中都发现了磁致多铁效应㊂目前,自旋序诱导铁电性的物理机制主要有以下3种[40-42]㊂①自旋交换伸缩机制(exchange-striction mechanism)常见于具有共线自旋序的多铁材料,其物理模型基于自旋晶格耦合,如具有Ising自旋链的Ca3CoMnO6[43]和E型自旋序的钙钛矿锰氧化物R MnO3(R=Ho-Lu,Y)[44]㊂以Ca3CoMnO6为例,磁性离子Co2+和Mn4+交替排列形成上上下下(ʏʏˌˌ)的磁结构,这种磁性有序打破了系统反转对称性,并通过交换伸缩机制诱发铁电极化㊂图3a~3c是该微观机制模型示意图[40],对称交换作用引起磁性离子位置的改变,产生沿键方向的电偶极矩P ij,P ijɖΠij(S i㊃Sj)其中S i和S j表示相邻自旋矢量,Πij表示磁致伸缩的方向㊂②反Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用常见于非共线自旋序的多铁材料,其物理模型基于自旋轨道耦合,常见的材料有TbMnO3,Ni3V2O8和MnWO4等[45-47]㊂图3d~3f为反DM相互作用或自旋流模型示意图[40], Pijɖe ijˑ(S iˑS j),其中e ij是连接这两个自旋位点的单位矢量,3个矢量叉乘得到局部的电偶极矩P ij㊂③自旋相关p-d杂化机制(spin-dependent p-d orbital hybridization mechanism)的模型同样基于自旋轨道耦合,如Ba2CoGe2O7[48]㊂图3g~3i是该微观机制模型示意图[40],受自旋轨道耦合作用的微扰,磁性离子(M)的d轨道与配体离子(X)的p轨道之间杂化,形成沿成键方向的局部电极化P ij,P ijɖ(S i㊃e il)2e il,其中e il为金属磁性离子(M)与配位离子(X)之间的单位矢量㊂图3㊀自旋序诱导铁电性起源的3种主要微观机制模型示意图[40]:(a~c)自旋交换伸缩机制模型,(d~f)反Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用或自旋流模型,(g~i)自旋相关p-d杂化机制模型Fig.3㊀Three major mechanisms of ferroelectricity of spin origin[40]:(a~c)spin exchange-striction mechanism,(d~f)spin-current model or inverse DM model,(g~i)spin dependent p-d hybridization mechanism㊀㊀3种自旋序诱导铁电性的微观机制各有特色,彼此物理上没有必然联系㊂反DM相互作用机制所产生的铁电极化能够在磁场作用下发生90ʎ翻转,磁电效应很强,但铁电极化数值往往很小,大多在~100μC/m2量级㊂自旋相关p-d杂化机制所产生的铁电极化能够在磁场驱动下连续转动,行为非常独特,但同样的铁电极化数值很小㊂自旋交换伸缩机制往往能够产生很大的铁电极化,甚至能够和常规铁电材料相比拟,但是有效调控铁电极化的磁场往往很大,磁电效应相对不太显著㊂总体上,第二类多铁材料与第一类多铁材料体系不仅微观机制上明显不同,物理性质上也各有优劣㊂例如第二类多铁材料中的磁电耦合显著,而第一类多铁材料中的铁电居里温度可以很高㊂如果能够有机结合两类材料体系的优点,或许能够推动多铁材料向应用迈进一大步㊂可能是受这一驱动力的影响,具有第二类多铁微观机制的极性磁体材料在最近几年受到了很多关注㊂这类材料体系的一个重要特征是晶体中磁性离子基团是极性的,因此在很高温度即表现出热释电效应(属于热释电材料),产生电极化㊂与此同时,自旋序在某一温度下还能够产生磁致铁电极化,表现第二类多铁性㊂由于电极化478博看网 . All Rights Reserved.㊀第11期常钰婷等:极性磁体的多铁性研究进展与磁化都源于相同的磁性离子基团,因此可能产生高温磁电耦合㊂此外,由于这类材料的非中心对称属性,往往能够引起非互易效应,如电子传输(类似于半导体中的p-n结)㊁光传输以及自旋波传输等㊂下面将以极性反铁磁体Fe2Mo3O8系列为例,简要描述这类材料中的基本物理特征㊂3.1㊀钼铁矿的多铁性钼铁矿(kamiokite)家族M2Mo3O8(M=Fe,Co,Mn和Ni)具有非中心对称的六角结构,属于极性对称群P63mc㊂该体系的磁性主要来源于M2+未成对的3d电子[14,49]㊂中子衍射研究结果[50-52]表明M2Mo3O8的M2+磁性离子有两种不同的晶格位置(M1和M2分别代表位于氧四面体中心和氧八面体中心的磁性原子),如图4a所示㊂M1和M2两种位点的原子磁矩反向平行,且二者磁矩可以不相等㊂例如,Co2Mo3O8和Fe2Mo3O8具有相似的互补反铁磁结构,而Mn2Mo3O8则表现出亚铁磁性,源于两种磁性子晶格对温度的不同响应㊂前三者都是具有c轴指向的自旋序,而Ni2Mo3O8中的自旋序均位于ab 面内,但基态仍为反铁磁[53]㊂这类化合物的一个新颖之处是其存在很大的线性磁电效应,且线性磁电系数高度可调,甚至能发生正-负之间的转换,但其中的物理机制仍有待发掘[54,55]㊂调控系统不同相之间的竞争是增强磁电效应的有效方法㊂以Fe2Mo3O8为例,由于Fe-O层磁矩的不完全抵消而存在净磁矩,但磁性层净磁矩的反向互补使得宏观磁性消失㊂通过施加磁场使Fe-O层隐藏的磁矩显现出来是调控磁结构的有效思路㊂当对Fe2Mo3O8施加沿c轴方向的磁场(H)大于临界场(H cr)时,系统由反铁磁态转变成亚铁磁态,磁结构相变伴随着c轴方向极化强度(ΔP c)的跳变,如图4b和4c所示,对亚铁磁相的极化强度进行拟合(图4c虚线所示),ΔP c=P0+α3H+βH2,其中P0是常数,α3是线性磁电系数,β是二次项系数,H 是沿c轴方向的磁场,线性相(α3H)表明该材料的亚铁磁相具有线性磁电耦合效应[14,54]㊂此外,化学掺杂也是调控反铁磁结构的常用方式㊂对Fe2Mo3O8进行非磁性Zn2+的化学掺杂,可以有效调控系统反铁磁相和亚铁磁相的竞争㊂(Fe1-y Zn y)2Mo3O8中的Zn2+离子掺杂量(y)达到0.25时,对铁磁相拟合(图4d虚线所示),ΔP c=P0+α3H㊂图4㊀M2Mo3O8的晶格结构示意图(a);Fe2Mo3O8在不同温度下磁化强度M(b)和电极化强度ΔP c(c)随磁场的变化曲线(磁场沿c轴);不同Zn2+离子掺杂量的ΔP随磁场的变化关系(d);磁电系数α1和α3随Zn含量y的变化关系(e)㊂Fig.4c的虚线是45K时,磁场H>H cr部分ΔP c=P0+α3H+βH2拟合的结果;Fig.4d的虚线是ΔP c=P0+α3H拟合的结果[54]Fig.4㊀Crystal structure of M2Mo3O8(a);field dependence of M(b)andΔP c(c)at various T,the dashed curve is the fit to the P-H curve for H>H cr at45K with the functionΔP c=P0+α3H+βH2;field dependence ofΔP at various Zn2+ion content(d),the dashed curve is the fit to the P-H curve with the functionΔP c=P0+α3H;y dependence of ME coefficientsα1andα3measured at2K(e)[54]578博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷线性磁电系数α1和α3随着Zn 2+离子量的增加发生从负值到正值的线性增大,如图4e 所示,α1和α3代表磁场沿不同方向的线性磁电系数,其中α3是电极化沿c 轴测量的拟合结果,α1是电极化沿b 轴测量的拟合结果,取偏离c 轴60ʎ的方向为b 轴㊂非磁性Zn 离子选择性取代特定位置的Fe 离子(优先占据氧四面体中心位置的Fe1),稀释了磁性Fe 离子之间的反铁磁相互作用,且随着掺杂量的增大,系统磁结构逐步从反铁磁过渡到亚铁磁㊂磁电系数符号的反转可能与系统这一磁有序状态的变化相关,但相关物理起因仍不明确[54]㊂不仅如此,Fe 2Mo 3O 8具有单极性畴,因此可以省去极化过程,有可能实现电场控制磁性㊂最近,作者课题组的实验结果表明,当Zn 2+的掺杂量仅有5%时,(Fe 0.95Zn 0.05)2Mo 3O 8在反铁磁态和亚铁磁态之间产生3个亚稳磁态,并产生明显的铁电极化㊂与Fe 2Mo 3O 8相比,(Fe 0.95Zn 0.05)2Mo 3O 8同样存在逆磁电效应,但激发磁场的磁感应强度从5.1T 减小到0.8T [55]㊂Mn 2Mo 3O 8具有亚铁磁结构,在奈尔温度以下仍表现出净磁矩,不同于钼铁矿家族其他成员㊂对该体系进行Fe 2+掺杂可以调控反铁磁相与亚铁磁相的竞争,(Mn 1-x Fe x )2Mo 3O 8中Fe 2+掺杂量(x )达到0.75时改变了系统磁基态,如图5a 所示㊂(Mn1-xFe x )2Mo 3O 8在顺磁相具有热释电效应,奈尔温度以下电极化出现明显增强,如图5b 和5c 所示㊂进一步的实验研究表明,在磁场作用下,Mn 2Mo 3O 8磁相变伴随着铁电相变,在较低磁场(∣H ∣<1T)即表现出线性磁电耦合效应,如图5d 和5e 所示,对ΔP c -H 进行拟合(虚线所示),ΔP c =αH ,其中α代表线性磁电系数㊂Mn 2Mo 3O 8中的线性磁电系数可以从低温下的正值突变到临界温度附近的负值(图5f),而Fe 2Mo 3O 8中则需要通过Zn 掺杂来实现这一过程,这可能与两者线性磁电耦合物理起源不同相关㊂图5f 总结了各组分磁电系数随温度的变化关系,通过Fe 2+掺杂,Mn 2Mo 3O 8中低温线性磁电系数可以显著提升[56]㊂类似现象在(Fe 1-x Zn x )2Mo 3O 8体系中也被观测到,但两者掺杂离子的占位情况不同[54]㊂Co 2Mo 3O 8反铁磁结构与Fe 2Mo 3O 8相似,但Co 和Fe具有不同的磁性,且Co 的自旋态可变,因此表现出和Fe 2Mo 3O 8完全不同的磁电性质㊂Co 2Mo 3O 8在奈尔温度(T N =39K)时发生反铁磁转变,并出现电极化和介电异常,表明磁性和铁电性的密切关联㊂与Fe 2Mo 3O 8不同的是,当外加磁场的磁感应强度达到9T 也没有实现Co 2Mo 3O 8从反铁磁到亚铁磁的磁相变,且电极化对磁场是二阶磁电响应,而非线性磁电响应[57]㊂Ni 2Mo 3O 8具有面内条状和面外锯齿状的磁矩排列特征,且这些磁矩之间非共线,是M 2Mo 3O 8家族中少有的㊂Ni 2Mo 3O 8的极性轴仍然是c 轴㊂实验研究表明,分别沿c 轴和a 轴施加磁场时,在奈尔温度(T N =5.5K)即出现明显的电极化响应,表明其磁电强关联的特征[53]㊂Ni 2Mo 3O 8磁结构明显不同于其它体系,其多铁性和磁电耦合值得进一步深入研究㊂图5㊀(Mn 1-x Fe x )2Mo 3O 8的磁化强度M (a)㊁热释电流I (b)和电极化强度ΔP c (c)随温度的变化曲线;不同温度下ΔP c 随磁场的变化曲线,虚线是ΔP c =αH 拟合的结果(d,e);各掺杂组分磁电系数随温度的变化关系(f)[56]Fig.5㊀Temperature dependence of M (a),pyroelectric current obtained in a warming process (b)and time-integrated change of P from that at100K (c)for (Mn 1-x Fe x )2Mo 3O 8;field dependence of ΔP c for Mn 2Mo 3O 8at various T ,dashed curves are fit with ΔP c =αH (d,e);temperature dependence of the longitudinal linear ME coefficient αobtained from various P-H scans for (Mn 1-x Fe x )2Mo 3O 8(f)[56]3.2㊀其他极性磁体的多铁性具有三角形氧框架的过渡金属氧化物因几何阻挫而表现出奇异磁性质,如 114 结构的辉钴矿L Ba-Co 4O 7[58,59](L =Ln,Y 和Ca)和铁氧体L BaFe 4O 7[60,61]等㊂678博看网 . All Rights Reserved.㊀第11期常钰婷等:极性磁体的多铁性研究进展CaBaCo4O7[62-64]是具有极性空间群(Pbn21)的非共线亚铁磁体,其磁性框架由CoO4四面体在三角层和Kagomé层按1ʒ1交替堆叠构成,高自旋态Co2+/Co3+阳离子在CoO4四面体中表现出明显的几何阻挫㊂与该体系的LnBaCo4O7和YBaCo4O7相比,CaBaCo4O7的Kagomé层有很强的扭曲畸变,因而具有最强的阻挫效应㊂CaBaCo4O7在居里温度以下产生很大的电极化(~17000μC/m2),表现出很强的线性磁电效应,Tsuyoshi等证明了这种较强电极化的产生发生在反铁磁到亚铁磁的跃迁过程[64]㊂中子衍射结果[62]揭示了CaBaCo4O7在T C附近发生结构相变,并提出磁致伸缩机制的铁电起源,这种铁电机制与系统的几何阻挫以及Co2+/Co3+离子的轨道不稳定性有关[63]㊂类似磁电效应在CaBaFe4O7[61]中也有报道㊂易解石(aeschynite)型R FeWO6(R=Dy,Eu,Tb和Y)[66]或R CrWO6(R=Dy和Ho)[67,68]中的Fe3+和W6+交替排列形成稳定的极性结构(Pna21)㊂如DyFeWO6,Fe3+在T N(~18K)下形成反铁磁序时,伴随着电极化的改变和介电异常㊂Dy3+也在18K形成反铁磁序,且Fe和Dy的磁矩形成了一种近乎垂直的非线性结构㊂R FeWO6中的磁性离子R3+和Fe3+的磁性行为不一定相同,如Eu3+离子在2K仍是顺磁结构,Tb3+离子在2.4K形成反铁磁序㊂该体系与磁有序相关的铁电微观机制以及R和Fe自旋序之间耦合对电极化的影响仍需进一步研究[66]㊂此外,最近关于NaY M WO6(M=Mn,Co)和NaHoCoWO6的报道也揭示了磁场作用下的磁电耦合效应[69]㊂简单刚玉结构的Al2O3(或双刚玉结构)衍生出几种极性磁体,如AB O3模式的LiNbO3,这种AB-AB的磁有序模式打破反转对称,呈现极性结构(R3c)㊂A3B O6模式的M3TeO6家族(M=Mn,Cu,Co和Ni)只有Ni3TeO6[60,71]是具有极性结构(R3)的极性磁体㊂Ni3TeO6顺磁相有热释电效应,奈尔温度(~52K)以下沿c轴呈现共线反铁磁序,且伴随着电极化强度(ΔP)的改变㊂实验研究表明,在外加电场或磁场的驱动下,系统可以在多个状态之间转换,从而产生很强的磁电响应[72-74]㊂双刚玉极性磁体的物性特征很大程度上取决于阳离子的化学有序㊂A2BBᶄO6系列的氧化物在高温高压条件下合成,其中多个极性磁体的多铁性被相关实验证明,且已有综述报道,本文不再赘述[14]㊂Ca2FeAlO5是属于铁铝酸钙矿石(brownmillerite)家族的极性磁体(Ibm2),具有高于室温的反铁磁相变温度(~350K)[75]㊂奈尔温度以下,Fe3+的磁矩沿着a轴方向共线排列,当沿着该磁易轴施加磁场时,磁矩发生自旋翻转,从而产生铁电极化的改变和介电异常㊂这种磁电效应可能源于Fe3+占据的四面体位发生自旋相关金属配体杂化或由邻近自旋序非共线排列引发的反DM相互作用[76,77]㊂具有自旋翻转变化特征的极性反铁磁体为实现高温磁电耦合提供了新的思路㊂4㊀结㊀语本文概述了近几年关于极性磁体多铁性研究的新进展㊂一方面,极性磁体可能是获得高温磁电耦合以及非互易输运的很好的材料体系,也展现出诸多新颖的效应和物性,丰富了多铁性物理框架㊂另一方面,极性磁体的研究也面临着许多挑战,如这些新效应仍大多发生在低温区间㊂因此,显著提升这些新效应的有效温度是一个重要的课题,大量开发这类新材料也显得尤为紧迫㊂线性磁电效应是这类材料体系的一个独特之处,然而其中的物理机制仍有待阐明,其中的物理机制内涵也有待深入发掘㊂例如,线性磁电效应意味着磁矩(M)与磁场(E)之间的简单对应,但电场翻转磁化强度看起来似乎依然很难实现㊂非互易效应源于对称破缺,是否能够利用磁电耦合实现这一新颖效应的有效控制,也是值得深入研究的课题㊂多铁研究领域经历了约20年的快速发展,人们对其中的物理机制和材料两个层面的理解也越发深入,为设计高性能的新型多铁性材料提供了重要的科学依据㊂与此同时,新的极性磁体材料以及一系列新颖效应的发现也预示多铁性材料有着更为丰富的内涵,这或许可以成为实现高温甚至室温磁电耦合,以及强磁电耦合的突破口,在此方面更多的工作也有待取得突破性进展㊂参考文献㊀References[1]㊀KHOMSKII D.Physics[J],2009,2(20):1-8.[2]㊀ASTROV D N.Soviet Physics[J],1960,11:708-709.[3]㊀ASTROV D N.Soviet Physics[J],1961,13:729-733.[4]㊀FOLEN V J,RADO G T,STALDER E W.Physical Review Letters[J],1961,6(11):607-608.[5]㊀WANG J,NEATON J B,ZHENG H,et al.Science[J],2003,299(5613):1719-1722.[6]㊀KIMURA T,GOTO T,SHINTANI H,et al.Nature[J],2003,426(6962):55-58.[7]㊀SPALDIN N A,FIEBIG M.Science[J],2005,309(5733):391-392.[8]㊀SPALDIN N A,RAMESH R.Nature Materials[J],2019,18(3):203-212.[9]㊀WANG Y Z,PASCUT G L,GAO B,et al.Scientific Reports[J],2015,5:12268.[10]KIDA N,KANEKO Y,HE J P,et al.Physical Review Letters[J],2006,96(16):167202.[11]TOKURA Y,NAGAOSA N.Nature Communications[J],2018,778博看网 . 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多铁性材料的发展与挑战
一、多铁性材料的研究背景与现状
早在1894年P·居里就利用对称性的理论预测自然界中存在磁电效应。1960年科学家们发现了单晶Cr2O3在80 K到330 K的温度范围内存在磁电效应，由此引发了寻找磁电效应的热潮，并相继在混合钙钛矿型磁性铁电材料，反铁磁材料和亚铁磁材料中发现了极弱的磁电效应。 1970年，Aizu根据铁电、铁磁、铁弹三种性质有一系列的相似点将其归结为一类，提出了铁性材料（ferroics）的概念。1994年瑞士的 Schmid明确提出了多铁性材料（multi-ferroic）的概念，指具有两种或两种以上初级铁性体特征的单相化合物。
专家指出将组合方法用于多铁性材料的筛选有望极大地加速新型多铁性材料地发展和优化。利用国家同步辐射实验室同步辐射光源地高亮度、高准直和波长连续可调的特性，可以用来研究多铁性材料磁电耦合的机理，为新型多铁性材料的设计提供理论基础。
㈢磁介电材料及相关问题
专家指出，磁介电效应与电子铁电性及磁电效应一样，是多铁性材料的重要物理特性。在含有可变价磁性元素的复合钙钛矿与层状钙钛矿系统中，由于缺陷序、离子序、电荷序、自旋序及轨道序之间耦合导致异常的介电效应-多介电弛豫及巨介电常数台阶。磁介电效应、电子铁电性和巨介电效应的发现，给铁电物理与材料领域注入了新的活力与生机。专家特别强调了界面在材料研究中的重要性。
专家从国家及数据科技发展对高速度、高密度、高稳定性的存储设备的需求与目前主流市场的RAM的易失性、易受电磁干扰的突出矛盾出发，指明了新型的电阻型存储器（ReRAM）发展的必然趋势。列举了国际上科研机构以及公司（如三星、夏普等）在ReRAM上研究的一些进展，并且通过比较指明了我国此领域的在材料开发、器件研究、工艺摸索等方向上的研究机遇。
专家指出，8 nm BaTiO3陶瓷仍然具有铁电性，与大晶粒微米级BaTiO3陶瓷相似随温度降低存在多个低对称结构的相，但同时表现出多相共存的特点。通过对铁电BaTiO3尺寸效应的研究，启发我们可以在更小尺寸上去进行复合、耦合，从而实现各种尺寸的多铁性复合。
多铁材料中磁电耦合的第一性原理研究
多铁材料中磁电耦合的第一性原理研究多铁材料中磁电耦合的第一性原理研究近年来，多铁材料因其独特的磁电耦合效应引起了广泛的研究兴趣。
磁电耦合是指在外界磁场或电场的作用下，材料内部磁性和电性相互影响、耦合，并表现出特殊的物理性质。
多铁材料因其在磁性和电性上的反应都非常敏感，以及这两种性质的高度耦合，被认为是实现磁电器件和存储技术革命的重要候选材料。
第一性原理计算是研究多铁材料中磁电耦合的重要工具。
它基于量子力学和密度泛函理论，通过计算材料中原子的电子结构和能量，分析不同物理性质之间的相互作用。
通过第一性原理计算，可以揭示多铁材料中磁电耦合的微观机制，为磁电耦合的性质优化和设计提供理论指导。
多铁材料的磁电耦合主要体现在两个方面：磁控电和电控磁效应。
磁控电指的是外加磁场对材料电性质的调控，而电控磁则是指外加电场对材料磁性质的调控。
多铁材料中发现的一些磁电耦合效应包括：磁电耦合电容效应(MECE)、铁电磁阻效应(MER)、磁电耦合感应效应(MEIE)等。
多铁材料中的磁电耦合可以通过两种方式实现：基于离子的耦合和基于电子的耦合。
基于离子的耦合是指多铁材料中离子磁矩和电子的相互作用，通过控制晶格结构和离子运动使其发生相互耦合。
基于电子的耦合则是指多铁材料中电子的磁矩和电子的相互作用，通过调节电子结构和能带计算来实现。
这两种耦合方式有着不同的机制和调控方法，对磁电耦合的研究起到了重要的指导作用。
在第一性原理研究中，研究者们通过计算多铁材料的晶格结构、电子能带和磁性性质，揭示了多铁材料中磁电耦合的微观机制。
例如，通过计算材料中不同原子间的相互作用和相对位置，确定离子磁矩的形成机制。
通过计算材料中电子的输运性质和能带结构，分析磁电耦合的电子机制。
这些计算结果为多铁材料的磁电耦合效应提供了深入的理解，并为材料的设计和应用提供了重要的理论依据。
此外，第一性原理计算还为多铁材料的性能优化和设计提供了重要的工具。
通过计算不同材料结构的能量和稳定性，研究者可以根据计算结果选择合适的材料组合和晶格结构。
多铁材料内磁性关联对铁电性质影响的理论研究
多铁材料内磁性关联对铁电性质影响的理论研究陈雅蓉;陈奥;李星颖;高雨婷;张娟;朱小芹;翟良君【期刊名称】《江苏技术师范学院学报》【年(卷),期】2017(023)002【摘要】多铁材料是一种能够在一定的温度下同时表现出磁性和铁电性的材料,在多功能材料设计领域有着重要的应用.在本研究中,从理论上讨论了第一类多铁材料内磁性子体系的磁性关联效应对铁电性质的影响.在这类材料中,磁性子体系的相变温度一般低于铁电子体系.选用了海森堡模型和横场伊辛模型来分别描述多铁材料中的磁性和电性子体系,并且仅考虑了磁性体系的相变温度Tm低于铁电子体系的相变温度Te的情况.研究发现在温度高于Tm时,磁化强度为零,但磁性关联项仍能影响铁电性质.【总页数】7页(P34-40)【作者】陈雅蓉;陈奥;李星颖;高雨婷;张娟;朱小芹;翟良君【作者单位】江苏理工学院数理学院,江苏常州213001;江苏理工学院数理学院,江苏常州213001;江苏理工学院数理学院,江苏常州213001;江苏理工学院数理学院,江苏常州213001;江苏理工学院数理学院,江苏常州213001;江苏理工学院数理学院,江苏常州213001;江苏理工学院数理学院,江苏常州213001【正文语种】中文【中图分类】TM271【相关文献】1.羰基铁/有机硅环氧树脂复合材料的电磁性质及微波吸收性质 [J], 崔荣振;王博翀;王涛;李发伸2.铁炭复合磁靶向缓释药物载体材料的制备--制备条件对铁炭复合材料磁性能的影响 [J], 马垠智;曹宏明;黄广建;吴秋芳;张海英;於定华3.磁电耦合对于铁电磁系统的磁性关联的影响 [J], 蒋磊4.TiO2过渡层对BiFeO3薄膜微结构和铁电磁性质的影响 [J], 朱成龙;沈明荣;李涛5.多铁材料内磁性关联对铁电性质影响的理论研究 [J], 陈雅蓉;陈奥;李星颖;高雨婷;张娟;朱小芹;翟良君;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
单相多铁材料中的电子自旋
单相多铁材料中的电子自旋简介摘要：多铁性材料是指同时具有两种或者两种以上铁性序参量的物质。
多铁性材料中出色的磁电耦合效应，使其在自旋电子器件和多态存储等方面有着广阔的应用前景。
本文简单介绍多铁材料的定义与分类以及传统钙钛矿多铁材料中的电子自旋构型，重点阐述具有螺旋自旋序的磁致多铁材料。
关键词：多铁材料铁磁性螺旋序电子自旋引言1959年Dzyaloshinskii推断Cr2O3材料中存在磁电效应，随后不久便被Astrov 用实验所证实。
自此人们发现了第一个磁电耦合材料，多铁的概念开始出现，并开始了对所谓多铁材料的研究。
但是迄今为止发现的单相多铁性材料仍比较稀少，这主要是由于多铁性的产生会受到诸多因素的限制。
即使是现已被发现的单相多铁材料，其磁电耦合效应相较于实际应用来说也并不理想。
近些年来，人们发现一些材料铁电极化直接来源于特殊磁序，即螺旋自旋序结构的多铁材料。
这些材料显示出了良好的磁电耦合特性，因此得到了人们的广泛关注。
单相多铁材料的定义与分类单相多铁材料是指同时具有两种或者两种以上铁性序参量的单相材料，即同时具有铁磁性与铁电性，或者铁磁性、铁弹性、铁电性共存。
如果晶体在一定温度范围内具有自发极化强度（无外加电场存在时的极化强度），并且自发极化强度的方向可以随外加电场的变化而变化，这类晶体我们称为铁电体，它所具有的这种性质我们称为铁电性。
在铁电居里温度以上，铁电体不发生自发极化，在居里温度以上显示顺电性（类似顺磁性）；在铁电居里温度以下，铁电体发生自发极化，晶格结构发生畸变，表现出铁电性。
铁电有序要求空间反演对称性破缺。
而铁磁性与铁电性非常类似但也有很大的不同。
如果晶体在一定范围内具有自发磁化强度（无外加磁场作用情况下），并且自发磁化矢量可以随外加磁场的变化而变化，这类晶体我们称为铁磁体，同样它所具有的这种性质我们称为铁磁性。
多铁材料按照其铁电性与磁性的起源可以分成两大类，即第一类多铁性材料与第二类多铁性。
多铁性材料磁电性质的理论综述
Engineering Equipment and Materials| 工程设备与材料 | ·97·2016年11月多铁性材料磁电性质的理论综述周 凯（装甲兵工程学院，北京 100072）摘 要：多铁性材料由于其同时具有铁电和铁磁性，部分具有铁弹性，是一种多功能新型材料。
现代社会对于仪器小型化的要求越来越高，多铁性材料是实现这一要求的重要选择。
通过其具有的磁电耦合效应实现电场和磁场的转换，可以实现新型功能器件的研制。
本文通过对多铁性材料的基本性质和应用的探讨，深入研究了进行多铁性材料磁电性质的研究中的关键理论方法。
关键词：多铁性材料；磁电性质；第一性；对称性中图分类号：TB741 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2016）11-0097-02现阶段对于多铁性材料的研究多集中于单相多铁材料和磁性诱导铁电体。
随着研究的推进，面对新的多铁性材料所表现出的性质，常规理论已不能进行很完美的解释。
由于多铁性材料在自旋电子器件和数据存储方面具有重要的应用潜力。
通过理论研究确定多铁性材料的机理并深入分析所表现出的性质，对于设计和研制新型多铁性材料具有重大而现实的意义。
1 多铁性材料的定义及应用1.1 多铁性材料的定义1994年，瑞士日内瓦大学的Schimid教授首次将多铁定义为同时存在铁电、铁磁或铁弹序等两种或者两种以上铁性序的材料，后来的研究又拓展到铁性磁涡旋的体系。
因此，通常所指的多铁性材料是指铁电与铁磁性共存的体系。
多铁性材料最为重要的性质之一是磁电祸合，简而言之就是磁性质和电性质之间相互调控，在通过电场或磁场分别实现磁化和极化的翻转是该性质的最终目的，如图1所示。
图1 铁电和铁磁性共存及相互调控1.2 多铁性材料的应用多铁性材料的应用主要集中在自旋电子器件、传感器和数据存储等方面。
铁磁性与铁电性的共存有利于实现器件小型化和多功能化，如使四态逻辑存储成为可能。
磁和电之间可能存在的祸合为多铁材料带来了额外的功能。
多铁材料内磁性关联对铁电性质影响的理论研究
多铁材料内磁性关联对铁电性质影响的理论研究作者：陈雅蓉陈奥李星颖高雨婷张娟朱小芹翟良君来源：《江苏理工学院学报》2017年第02期摘要：多铁材料是一种能够在一定的温度下同时表现出磁性和铁电性的材料，在多功能材料设计领域有着重要的应用。
在本研究中，从理论上讨论了第一类多铁材料内磁性子体系的磁性关联效应对铁电性质的影响。
在这类材料中，磁性子体系的相变温度一般低于铁电子体系。
选用了海森堡模型和横场伊辛模型来分别描述多铁材料中的磁性和电性子体系，并且仅考虑了磁性体系的相变温度Tm低于铁电子体系的相变温度Te的情况。
研究发现在温度高于Tm 时，磁化强度为零，但磁性关联项仍能影响铁电性质。
关键词：多铁材料；横向关联；纵向关联；格林函数中图分类号：TM271 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2017）02-0034-07现代科技对于信息存储的集成化程度的要求不断提高，同时，对于信息的读取和存储的速度的要求也越来越高。
人们在新型材料的开发和研制过程中，对于材料的性能和尺寸有了越来越高的要求。
寻找新型的信息存储材料，或者在现有的材料中开发具有优越的信息存储和读取能力的材料成为了新材料研究的焦点。
多铁材料是一种能够在一定的温度下表现出铁磁性（反铁磁性，亚铁磁性）和铁电性的特殊材料。
铁电有序和磁有序的共存使其具有内禀的磁电效应，即当外加磁场或电场时，这类材料的自发磁化或自发电极化都会发生相应的调整。
[1]多铁材料的特殊性能不仅可以使其单独的作为铁磁性材料、铁电性材料或铁弹性材料来使用，而且电极化和磁极化之间的相互耦合，也就是所谓的磁电耦合，能够为新的器件的设计提供了一个额外的自由度。
因此，多铁使得这类材料有着更为广泛的用途，例如：利用多铁材料中磁电耦合机制而设计的磁电变换转换器。
此外，近阶段最引人瞩目的一个可能应用就是利用多铁材料来设计全新的存储器件。
[2]由于多铁材料在存储器件领域和传感器领域有着巨大的应用前景，对多铁材料的研究受到了理论和实验方面的广泛关注。
多铁性材料研究进展及发展方向_南策文
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发展现状与主要趋势
近十年以来, 随着材料制备技术、表征手段和理 论计算的进步 , 以及现代信息社会对新型信息功能 器件的迫切需求 , 多铁性材料及其器件的研究迎来 了前所未有的快速发展. 国际著名的 Nature, Science 等期刊相继报道了多铁性材料中丰富的物理内涵和 新颖的实验现象 , 在世界范围内掀起对多铁性的极 大关注 , 以论文形式发表的研究成果呈指数性增长 . 2005 年以来 , 在素有材料研究领域 “风向标 ”之称的 美国材料研究学会(MRS)系列会议上, 每年大会都将 “ 多铁性与磁电 ” 列为大会的分会之一 , 吸引了众多 研 究 者 参与和 关 注 . 2007 年 底 , Science“Areas To Watch” 更是将多铁性材料列为未来世界范围内最值 得关注的七大前沿热点研究领域之一 (欧洲大型强子 对撞机、微 RNA、人造微生物、古基因组学、多铁 性、 人类微生物组、 大脑神经回路), 这是近十多年来 整个材料领域的唯一入选项. 目前, 美国、德国、法 国、 日本等国家纷纷投入大量资源开展有关多铁性材 料的研究, 我国的多铁性材料研究也在蓬勃发展, 在 部分研究领域处于国际领先地位. 多铁性磁电材料的研究范围主要包括: 1) 电/磁 功能材料科学 (铁电材料、磁性材料、多铁性磁电材 料 ); 2) 凝聚态物理学 ( 强关联凝聚态体系、自旋 - 轨 道 - 电荷 - 晶格相互作用 ); 3) 自旋电子学 ( 自旋电子 学、磁电子学、多铁性磁电子学); 4) 电子器件物理 与技术.
南策文: 多铁性材料研究进展及发展方向
多铁性(磁电)材料是一种新型多功能材料, 不但 能用于单一铁性材料的应用领域 , 更在新型磁 - 电传 感器件、自旋电子器件、新型信息存储器件等领域展 现出巨大的应用前景; 另一方面, 多铁性磁电耦合的 物理内涵涉及到电荷、自旋、轨道、晶格等凝聚态物 理多个范畴; 因而, 已成为国际上一个新的前沿研究 领域 [1,2]. 从学科内涵看 , 多铁性材料将传统上缺乏 内禀联系的铁电与磁性两大类材料与电子、 信息和能 源产业密切联系的学科领域有机结合起来 , 并赋予 其新的学科内容.
多铁异质结中磁矩与自旋的调控
多铁异质结中磁矩与自旋的调控引言多铁材料由于其同时具备磁性和铁电性质，在信息存储、传感器和能量转换等领域具有广阔的应用前景。
多铁异质结是一种由不同材料组成的薄膜结构，其界面处存在着丰富的物理现象，如自旋极化、自旋轨道耦合等。
在多铁异质结中，通过调控磁矩与自旋可以实现对材料性能的精确控制，从而拓展其应用领域。
磁矩与自旋磁矩是物体内部原子或离子所带有的一个特征性质，描述了物体在外加磁场下受到力的大小和方向。
自旋则是微观粒子（如电子）固有的一种内禀运动角动量，也可以看作是一个微观粒子在空间中围绕自身轴心旋转产生的一种运动。
在多铁异质结中，通过调控材料中原子或离子的排列方式以及外加电场或磁场等手段，可以有效地调节材料中的磁矩和自旋，从而实现对材料性能的控制。
磁矩与自旋的调控方法外加电场调控外加电场是一种常见且有效的调控磁矩与自旋的手段。
在多铁异质结中，通过施加不同方向和强度的电场，可以改变材料中原子或离子的排列方式，从而影响其磁性和自旋性质。
在铁电材料中，外加电场可以引起铁电畴壁移动，从而改变材料中的自旋极化方向。
通过调节外加电场的大小和方向，可以实现对多铁异质结中自旋极化方向的精确控制。
外加磁场调控外加磁场也是一种常用的调控手段。
在多铁异质结中，通过施加不同强度和方向的磁场，可以改变材料中原子或离子的排列方式，从而影响其磁性和自旋性质。
在铁磁材料中，外加磁场可以引起材料中原子或离子的重新排列，从而改变其磁化强度和方向。
通过调节外加磁场的大小和方向，可以实现对多铁异质结中磁矩的精确控制。
自旋轨道耦合调控自旋轨道耦合是一种磁性材料中普遍存在的物理现象。
在多铁异质结中，通过调控自旋轨道耦合效应，可以实现对材料中自旋的控制。
在一些过渡金属氧化物中，自旋轨道耦合效应可以导致原子或离子的自旋方向发生变化。
通过调节材料中原子或离子的排列方式以及外加电场或磁场等参数，可以实现对多铁异质结中自旋的精确调控。
多铁异质结中磁矩与自旋调控的应用信息存储多铁异质结具有可逆调控磁性和铁电性质的特点，因此在信息存储领域具有广泛的应用前景。
单相多铁性磁电体磁电起源及耦合机理分析
单相多铁性磁电体磁电起源及耦合机理分析3仲崇贵1,2,蒋 青2,江学范3,方靖淮1(1 南通大学理学院,南通226007;2 苏州大学物理学院,苏州215006;3 常熟理工学院物理系,常熟215500)摘要 单相多铁性磁电体是指在同一相下既有铁电性又有铁磁性的材料,其丰富的物理机制和极大的应用潜力近来受到国内外学术界和工程应用领域的广泛关注。
电极化和磁化通过内禀的磁电耦合作用为下一代多功能电子器件的设计提供了额外的自由度。
简单回顾了单相磁电材料研究的历史以及最新进展,从其导电性、对称性、化学d 0性、结构畸变等方面详细讨论了单相多铁性磁电体磁电性的起源及耦合,并简单分析了磁电材料产业化进程中存在的问题,展望了多铁性磁电体的研究及应用前景。
关键词 多铁性 磁电耦合 铁电 磁性Analysis of Magnetoelectric Origin and Coupling Mechanism of SinglePhase Multiferroic MagnetoelectricsZHON G Chonggui 1,2,J IAN G Qing 2,J IAN G Xuefan 3,FAN G Jinghuai 1(1 School of Sciences ,Nantong University ,Nantong 226007;2 Depart ment of Physics ,Suzhou University ,Suzhou ,215006;3 Depart ment of Physics ,Changshu Instit ute of Technology ,Changshu 215500)Abstract Single phase multiferroic magnetoelectrics are materials with both ferromagnetic and ferroelectric properties in the same phase ,which attract more and more attention both in academic circles and engineering applica 2tion field because of their f undamental physical mechanisms and wide potential applications.The spontaneous coupling effect between polarization and magnetization provides an additional degree of f reedom for the design of the next gene 2ration multifunctional electronic apparatus.In this paper ,the history and recent progress of the research on single phase multiferroic magnetoelectrics are reviewed simply.In particular ,the magnetoelectric origin and coupling mecha 2nism are discussed including electrical properties ,symmetry ,chemical 2“d 02ness ”,structural distortions of single phase multiferroic magnetoelectrics.At the same time ,the exsiting problems of magnetoelectric material are analyzed for transforming the practical application ,and the research and application prospects of multiferroic magnetoelectrics are predicted.K ey w ords multiferroic property ,magnetoelectric coupling ,ferroelectric ,magnetic property 3国家自然科学基金(60571055)江苏省自然科学基金(B K2006047);薄膜材料江苏省重点实验室开放课题;江苏省高校自然科学基金(05K JB140108) 仲崇贵:男,博士生,副教授 Tel :0513285015891 E 2mail :chgzhong @0 引言多铁性材料是指低温下同时存在2种或2种以上铁电(反铁电)和铁磁(反铁磁)或铁弹有序性能的材料。
固体物理学中的多铁性与多铁材料
固体物理学中的多铁性与多铁材料多铁性是指材料在外加电场、磁场或机械应力等刺激下能够同时表现出磁性和铁电性的特性。
这种材料具有潜在的应用前景，因为多铁性能够为新型电子器件的设计和制造提供新思路。
本文将介绍固体物理学中的多铁性研究和多铁材料的应用。
一、多铁性的研究历史及意义多铁性的研究可以追溯到20世纪末，当时科学家们发现铁电材料和磁性材料之间存在着某种联系。
后来，随着研究的深入，人们意识到这种联系在一些晶体结构中可以同时实现，从而形成了多铁性材料的概念。
多铁性材料的研究对于发展新型电子器件有着重要的意义。
例如，利用多铁性材料可以实现磁场或电场控制的电子器件，从而提高器件的性能、降低功耗。
此外，多铁性材料还可以应用于传感器、存储器和电荷耦合器等领域。
二、多铁性的机制多铁性的发现和解释依赖于材料的晶格结构和电子结构。
不同的机制可以导致不同类型的多铁性，如铁电-铁磁耦合机制、荷电耦合机制和自旋耦合机制等。
铁电-铁磁耦合机制是指通过控制外加电场或磁场来改变材料的铁电和铁磁性质。
这种机制主要依赖于材料晶格结构中的离子位移和电子自旋耦合效应。
荷电耦合机制是指通过控制外加电场来改变材料的离子位移和电子结构。
这种机制主要依赖于材料中的极化效应和荷电耦合效应。
自旋耦合机制是指通过控制外加磁场来改变材料的自旋结构和电子结构。
这种机制主要依赖于材料中的自旋-轨道耦合效应和自旋-自旋耦合效应。
三、多铁材料的分类多铁材料可以分为单相多铁材料和复相多铁材料。
单相多铁材料指的是一种材料同时具有铁电和铁磁性质。
复相多铁材料是指通过两个或多个单相材料的复合形成铁电-铁磁耦合效应。
根据多铁性材料的组成和结构，可以进一步将其分类为无机多铁材料和有机多铁材料。
无机多铁材料主要以金属氧化物为代表，具有较高的铁电和铁磁性能。
有机多铁材料主要以有机分子和/或有机配合物为基础，具有可调性和柔韧性等优势。
四、多铁材料的应用前景多铁材料的应用前景十分广泛。
单相M—型铁氧体的多铁特性
单相M—型铁氧体的多铁特性作者：谭国龙李威来源：《中国高新科技·上半月》2018年第05期摘要：文章主要介绍了M-型六角铁氧体-PbFe12O19的多铁特性及磁电耦合效应。
该化合物是一种传统的永磁材料，具有很强的铁磁性；陶瓷块材表现出了良好的铁电特性；其铁电性由标准、饱和的电滞回线，两个非线性的I-V特征峰和居里温度附近发生的符合Curie-Weis定理的反铁电相变所证实；PbFe12O19陶瓷材料的剩余电极化最高达到104μC/cm2，剩余磁极化和矫顽磁力分别30.8emu/g和2325.3Oe。
因此，化合物PbFe12O19在室温下同时表现出了极大的铁电性和强铁磁性，是一种良好的单相多铁性材料。
同时，该化合物在低磁场驱动下，出现极化电压，呈现出一定的磁电耦合效应。
其多铁特性为开发需要关联铁电性和铁磁性的新型电子元器件提供了契机。
关键词：永磁材料；多铁性M-型铁氧体；复合化文章编号：2096-4137（2018）09-052-03 DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2018.09.03社会的发展对材料性能提出了越来越高的要求，研发原子尺度的新材料和设计整合不同材料的性能成为新材料研究的焦点。
近年来，信息化社会的不断进步推动着电子元器件向小型化、高储能、高精度、高稳定性和多功能等方向发展。
为适应这些新型社会需求，功能材料也正朝着高性能化、多功能化、复合化方向发展。
单一性能的材料或电子元件已不能满足这些多功能化的要求，因而将材料的各种特殊功能进行集合，在一种元件中实现多种功能已经成为市场的迫切需求。
多铁性材料就是这样一类集铁磁性和铁电性于一体的多功能材料，其磁和电的相互耦合效应在信息存储、自旋电子器件、磁传感器以及电容-电感一体化器件方面都有极其重要的应用前景：（1）利用多铁性材料中的磁电耦合特性能够获得静电可控的磁极化，可用于新型的静电调控的磁性元器件；（2）电性与磁性相互耦合作用产生的磁电效应，能够产生全新的器件——电场控制的磁数据存储，使数据既可以电极化储存，也可以磁极化储存，将使目前的数据存储速度再提高一个量级以上；（3）通过控制磁性材料内部的磁畴结构，可制造出同时具有逻辑运算功能和存储功能的新型计算机芯片。
多铁材料中的耦合效应和单相BiFeO3的研究状况
显增强 。在 Ｂ ｉ Ｆ ｅ Ｏ 薄膜 中一个 急需解 决 的 困难 是 它具 有 较
ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｄ ｏ ｍａ ｉ ｎ ｓ ［ Ｊ ］ ． Ｎａ ｔ ｕ ｒ ｅ ， ２ ０ ０ ２ ， ４ １ ９ ： ８ １ ８
１ ０ Ｈｕ ａ ｎ ｇ Ｚ Ｊ ， Ｃａ ｏ Ｙ， Ｓ ｕ ｎ Ｙ Ｙ， ｅ ｔ ａ １ ． Ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｅ ｒ －
底之 间由于 晶格失 配应力 由三 方结 构 畸变 为单斜 结 构 ， 从 而 产生 强 磁 性 。 Ｕ Ｍ Ｃ 等［ ２ 。 ］ 提 出一 种 途径 ， 在 多 铁 材 料
ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ［ Ｊ ］ ． Ｓ ｏ ｙ Ｐ ｈ ｙ ｓ Ｊ Ｅ Ｔ Ｐ ， １ ９ ５ ９ ， １ ０ ： ６ ２ ８ ５ Ａｓ ｔ ｒ ｏ ｖ Ｄ Ｎ ． Ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ０ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｍｉ ｕ ｍ ｏ ｘ ｉ ｄ ｅ Ｅ Ｊ ］ ．
８ Ｈｕ ｒ Ｎ， Ｐａ ｒ ｋ Ｓ， Ｓ ｈ ａ ｒ ｍａ Ｐ Ａ， ｅ ｔ ａ １ ． Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｐ ｏ ｌ ａ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｖ ｅ ｒ — ｓ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｍｅ ｍｏ ｒ ｙ ｉ ｎ ａ ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｆ ｅ ｒ ｒ ｏ ｉ ｃ ａ ｔ ｍ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｂ ｙ ｍａ ｇ —
Ga_(2)-xFexO_(3) 单相多铁性及室温磁电耦合效应的研究进展
Ga_(2)-xFexO_(3) 单相多铁性及室温磁电耦合效应的研究进
展
张军;马建春;薛武红
【期刊名称】《中国陶瓷》
【年(卷),期】2024(60)3
【摘要】在单相多铁材料中,利用电场代替磁场来可逆控制磁性这一手段是实现下一代高密度、低功耗磁电多功能器件的理想方法。
然而,目前所发现的单相多铁材料大多数都表现出了弱的室温铁电性、铁磁性或者低于室温的磁电工作温度,这严重限制了其在实际生产中的应用。
近年来的研究发现,具有强磁电(ME)耦合的第Ⅱ类室温单相多铁Ga2-xFexO3,其剩余铁电极化强度(Pr)和饱和磁化强度(Ms)在最优的条件下分别可以达到25μC/cm^(2)和1.2μB/f.u.,因而是一种极有可能同时解决上述问题的新型替代材料。
首先介绍了单相多铁材料的研究现状以及潜在的应用;然后总结了Ga_(2)-xFexO_(3)材料单相多铁性和ME耦合效应的研究历程;最后,围绕Ga_(2)-xFexO_(3)未来面临的关键科学问题和挑战进行了详细讨论。
【总页数】11页(P1-11)
【作者】张军;马建春;薛武红
【作者单位】吕梁学院化学与化工系;山西师范大学磁性分子与磁信息材料教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TQ174.75
【相关文献】
1.单相多铁性磁电体磁电起源及耦合机理分析
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3.单相多铁性材料中静态与动态磁电效应研究新进展
4.中国科学院物理研究所发现单相多铁性材料中的巨磁电耦合效应
5.高温单相多铁性材料与强磁电耦合效应
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铁电性与磁性的耦合涉及到自旋同晶格或声子 之间的耦合, 而具有多铁性的体系大多属于过渡金 属复杂氧化物, 特别是具有钙钛矿结构单元的复杂 氧化物(如锰氧化物), 它们都属于强关联电子体系, 其中存在电子-电子关联、电子-声子关联、多重元激 发等. 对多铁性的研究和理解也必将推动对强关联 电子物理的理解进入更深更广的层次.
关键词 铁电性 磁性 多铁性 磁电耦合效应 螺旋状自旋有序相 电磁振子
磁性与铁电材料在现代科技中得到了广泛的应 用. 铁磁材料(ferromagnetics)具有自发磁矩, 且其可 以随外加磁场变化而翻转(开关), 从而实现信息存储. 现代电子产业, 包括计算机等, 广泛使用磁存储技术. 例 如 , 巨 磁 电 阻 效 应 (giant magnetoresistant effect, GMR)被发现后马上在磁存储器件中得到应用, 发展 成 为 磁 电 子 学 (magnetoelectronics) 或 自 旋 电 子 学 (spintronics), 创 造 了 空 前 巨 大 的 经 济 效 益 . 因 此 , GMR 效应的发现者获得了 2007 年度诺贝尔物理学奖, 而 自 旋 电 子 学 目 前 正 朝 着 磁 随 机 存 储 器 (magnetic random access memory, MRAM)及其实用化快速发 展[1~4]. 在工业生产等领域非常重要的传感器技术则 主要基于铁电材料. 铁电材料(ferroelectrics)具有自 发电极化, 这一电极化可以随外加电场变化而翻转
本铁性(如铁磁性、铁电性和铁弹性)的材料称为多铁
性材料(multiferroics)[25]. 目前关于多铁性材料的定
图 2 固体中各效应之间的耦合示意图[11]
与此同时, 人们对磁性和铁电性的认识也有了 很大的发展, 而制备技术的发展也导致获取高质量 (单晶与外延薄膜、异质结)样品成为现实, 从而为揭 示多铁性的本征物理根源提供了可能性. 多铁性这 一古老而年轻的研究领域在最近几年重新得到了广 泛的关注且取得了长足的发展[8~13].
电/铁电材料和磁致伸缩材料叠在一起形成层状结
构[18~20]. 还有其他一些形式的复合磁电材料[21~24], 如
颗粒形式的复合以及自组织生长的纳米尺度柱状复合
(如图 3 所示)等. 研究发现在强的直流偏置磁场下, 很
小的交流磁场就能够导致很大的磁电极化或磁致电
压. 在电-力共振峰附近, 最大的磁致电压系数达 90
=
F0
−
Pis
Ei
−
M
s i
Hi
−
1 2
ε0εij Ei E
j
−
1 2
µ0µij Hi H
j
− αij Ei H
j
−
1 2
βijk Ei H
jHk
−
1 2
γ ijk Hi E j Ek
− ......,
(1)
其中 E 和 H 分别是电场和磁场. 对自由能微分可以得
到电极化
Pi
G (E,
G H
)
=
−
∂F ∂Ei
料中通常比较弱. 而提高单相材料中磁电耦合效应
最有效的方法是利用一些介电常数/磁化率较大的材
料内部非常大的内电场或内磁场, 从而实现大的电
磁场耦合. 而铁电材料(铁磁材料)具有大的介电常数
(磁化率). 因此具有铁电性的铁磁材料(铁磁铁电体、
铁电磁体)将有可能表现出较大磁电耦合系数. 瑞士
日内瓦大学的 Schmid 将同时具有两种或两种以上基
其实, 对于多铁性的认识已有漫长的历史. 早在 一个世纪前铁电性被发现的时候就一直与磁性这一 更加古老的性质联系在一起, 因为唯象地看它们之 间有很多相似性. 虽然探索在一种化合物中实现铁 电性和磁性共存遭遇重重困难, 但是相关的努力和 尝试在半个世纪前就开始了[7~18], 尽管在很长一段时 间内这一研究领域没有得到广泛的关注. 对这一历 史脉络的梳理在 Fiebig 的评述中得到了充分体现[18].
V/(cm·Oe) (1 Oe=79.58 A/m)[18]. 这一数值已具有实用
价值, 因此磁电耦合效应在微波器件、磁场传感器以及
存储器中的读写头等领域都有明确的应用前景. 目前,
通常认为复合材料中的磁电耦合效应是磁致伸缩和压
电的乘积效应, 基本上是一个宏观力学传递过程.
遗憾的是, 到目前为止, 磁电耦合效应在单相材
(开 关 ). 很 多 铁 电 体 同 时 也 是 铁 弹 体 (ferroelastics), 其电极化的改变通常伴随着形状(或晶格常数)的变 化, 因此被广泛用于传感器或声波换能器等方面[5]. 更进一步, 与目前广泛应用的存储器相比, 基于铁电 材料的铁电随机读取存储器(ferroelectric random access memory, FeRAM)具有非挥发性和读取速度快等 优点, 因此也有巨大应用前景[6].
2007-10-26 收稿; 2008-01-06 接受 国家自然科学基金(批准号: 50332020)和国家重点基础研究发展计划(编号: 2002CB613303, 2006CB921802)资助项目
摘要 单相多铁性材料是指同时表现出铁电性和磁性的单相化合物, 最近的研究还拓展到 具有铁性磁涡旋的体系. 一方面, 多铁性材料同时具有铁电性和磁性; 更为重要的是, 铁 电性与磁性之间存在磁电耦合效应, 从而可能实现铁电性和磁性的相互调控. 因此, 多铁 性材料是一种新型多功能材料, 在自旋电子学和其他领域有着广阔的应用前景. 从凝聚态 物理角度看, 多铁性现象本身也对铁电学、磁学和强关联电子物理提出了很多基本问题和 挑战, 成为量子调控研究的一个热点领域. 多铁性物理在最近几年开始复兴, 并取得了很 大进展. 综述了多铁性物理这一领域的研究现状和存在的主要问题. 首先, 简单介绍多铁 性与磁电耦合效应的概念以及它们之间的联系, 重点阐述实现多铁性的困难, 亦即铁电性 和磁性的互斥性. 其次, 详细介绍了单相体系中实现铁电性与磁性共存的一些可能物理机 制, 其中重点介绍两个新的物理机制: (ⅰ)非共线螺旋状磁结构引起的铁电性和(ⅱ)电荷有 序相导致的铁电性. 这两类系统中磁性和铁电性之间在量子层次上存在很强的耦合和互相 调控效应. 随后, 叙述了多铁性系统中存在的元激发——电磁振子, 以及铁性磁涡旋效应. 最后, 指出了多铁性材料可能的应用以及尚未解决的问题.
极化(电压). 1888 年, Röntgen 发现如果将一个运动的
介电体材料放置于一电场中, 介电体会被磁化. 但这
不是介电体本征的物理效应. 1894 年, Curie 通过对称
性分析指出, 在一些晶体中可能存在本征的磁电耦
合效应. 经过一系列并不很成功的实验之后, Debye
第一次给出了磁电耦合效应这一名词. 相关历史发
专题
2008 年 第 53 卷 第 10 期: 1098 ~ 1135
《中国科学》杂志社
SCIENCE IN CHINA PRESS
单相多铁性材料—— 极化和磁性序参量的耦合与调控
王克锋①, 刘俊明①*, 王雨②
① 南京大学物理系, 固体微结构物理实验室, 南京 210093; ② 香港理工大学应用物理系 * 联系人, E-mail: liujm@
1098
评述
将磁性和铁电性结合在一起, 获得同时具有磁性和铁 电性的材料, 如图 1 所示. 使用这类材料将有助于传 感器以及磁存储等器件小型化和多功能化. 而如图 1 所示的电极化与磁矩间相互调控, 以及其他源于铁电 性和源于磁性的物理性质之间相互调控(如图 2 所示的 各种物性交互关联), 有可能突破目前自旋电子学的瓶 颈——自旋状态的读取与控制, 有望以此为基础发展新 的原型器件. 多铁性可能应用的一个最突出实例是: 磁 记录读取速度快而写入慢, 铁电记录读取复杂而写入 快; 如果使用多铁性体为记录介质, 就可能同时实现超 高速率的读写过程.
最近几年已有数篇关于多铁性研究的综述文章 发表, 如 Fiebig[18], Tokura[8], Cheong[12]和 Ramesh[13] 等. 但目前关于这一领域的中文综述文章并不多, 靳
1099
2008 年 5 月 第 53 卷 第 10 期
常青教授最近有一篇相关文章发表[11]. 本文的主要 目的是从一个稍微不同的视角对最近几年有关多铁 性单相材料的研究进行评述. 首先, 简单介绍多铁性 与磁电耦合效应的研究脉络、基本概念以及它们之间 的联系, 重点阐述铁电性和磁性相互排斥的物理根 源. 随后, 详细介绍单相多铁体系中实现铁电性和磁 性共存的一些思路和相关研究工作, 其中将重点阐 述最近才揭示出来的非共线螺旋磁结构所产生的本 征铁电性和电荷有序相导致的本征铁电性, 评述所 观测到的巨大磁电耦合效应和相互调控行为. 然后 介 绍 多 铁 系 统 中 元 激 发 —— 电 磁 振 子 的 初 步 观 测 , 铁性磁涡旋系统在随后介绍. 最后指出多铁性材料 可能的应用以及尚未解决的问题.
从基础研究角度看, 铁电性和磁性本身一直是 凝聚态物理和材料科学研究的热点. 多铁性现象与 磁电耦合在量子力学层次上对相关学科提出了一系 列问题和挑战. 例如, 早期的经验研究预测在一种材 料中实现铁电性与磁性共存非常困难, 因为这两种 性质以及对应的极化和磁性序参量被证明几乎是完 全互斥的. 迫切需要面对的挑战就是探索实现铁电 性和磁性内禀共存的微观条件, 这需要我们对产生 铁电性与磁性在量子力学层次上的可能交集进行阐 述.
直到最近, 在一些自旋失措磁性氧化物体系中观察 到了铁电性与磁性在量子范畴内的内禀共存和显著 的磁电耦合效应. 更有本征意义的是揭示了这些体 系中铁电序与自旋序之间的调控效应, 表现为自旋 翻转与铁电翻转的协同进行, 具有重要的指征价值, 预示着量子调控在多铁性体系中的初步实现.