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磁電多鐵性材料是指同時具有磁有序與電化有序的類多功能材料,用兩種有序的共存和相互耦合,可以實現(xiàn)磁場調(diào)控電化或者電場改變磁性質(zhì)。多鐵性材料作為具有重要應(yīng)用前景的自旋電子學(xué)材料體系獲得了廣泛研究,有望用于實現(xiàn)下代信息存儲器、可調(diào)微波信號處理器、超靈敏磁電傳感器等域。而實際應(yīng)用要求材料同時具備大的電化強度以及強的磁電耦合效應(yīng),且這種兼容性在以往的單相多鐵材料中很難存在。因此,尋找兼具這兩種異性能的單相多鐵性材料是十分迫切但又挑戰(zhàn)的科學(xué)問題。
近期,中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室龍有文研究員(Quantum Design公司用戶)團隊,用*的高溫高壓技術(shù),*次成功制備了具有A位有序鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BiMn3Cr4O12體系,并罕見地發(fā)現(xiàn)該單相材料同時具備大電化強度以及強磁電耦合效應(yīng)。
圖1 BiMn3Cr4O12的系列磁電測試結(jié)果(a)磁化率及其居里-外斯定律擬合;(b)比熱與介電常數(shù);(c)熱釋電與電化強度;(d)磁化曲線;(e)低溫?zé)後岆姡唬╢)低溫電化強度
通過磁化率、磁化強度、比熱、介電常數(shù)、電化強度、電滯回線、高分辨電鏡、同步輻射X光衍射與吸收譜、中子衍射等系列綜合結(jié)構(gòu)表征與物性測試,龍有文團隊發(fā)現(xiàn),隨著溫度降低,BiMn3Cr4O12在135 K經(jīng)歷了個鐵電相變,在該鐵電相變溫度以下可觀察到顯著的電滯回線,并導(dǎo)致大電化強度的出現(xiàn)。
圖2 BiMn3Cr4O12不同溫度下的電滯回線,展示了大電化強度
當(dāng)溫度降低到125 K時,BiMn3Cr4O12經(jīng)歷了個反鐵磁相變,中子衍射證明該反鐵磁轉(zhuǎn)變源于B位Cr3+離子的G-型長程反鐵磁有序,而A'位的Mn3+離子仍未形成磁有序。在125 K以下,長程磁有序與鐵電化共存,但該反鐵磁序不能誘導(dǎo)電化相變,因此材料進入到具有大電化強度的*類多鐵相(電化強度可能會比較大,但磁電耦合很?。?。
圖3 磁場對BiMn3Cr4O12電化的調(diào)控,展示了強的磁電耦合效應(yīng)
當(dāng)溫度繼續(xù)降低至48 K時,A'位的Mn3+離子也實現(xiàn)G-型長程反鐵磁有序,并且A'位Mn3+離子與B位Cr3+離子起組成的自旋有序結(jié)構(gòu)導(dǎo)化磁點群的形成,可以打破空間反演對稱性。因此,48K時的反鐵磁相變誘導(dǎo)另個鐵電相變,伴隨強的磁電耦合效應(yīng)的出現(xiàn),此時材料同時呈現(xiàn)第二類多鐵相(材料具有較強的磁電耦合,但電化強度往往很弱)。由此可見,低溫下BiMn3Cr4O12既包含*類多鐵相又包含第二類多鐵相,從而大的電化強度與強的磁電耦合效應(yīng)在這單相多鐵材料中同時實現(xiàn),突破了以往這兩種效應(yīng)在單相材料中難以兼容的瓶頸,大大推進多鐵性材料的潛在應(yīng)用。
相關(guān)研究結(jié)果于近期發(fā)表在Adv. Mater. 29, 1703435(2017), 并被該期刊選為Inside Cover。該工作獲得了國內(nèi)外同行的廣泛合作,同時獲得了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院等項目的支持。
文章來源:(中國科學(xué)院物理研究所 | 北京凝聚態(tài)物理國家實驗室,zui終解釋權(quán)歸中國科學(xué)院物理研究所 | 北京凝聚態(tài)物理國家實驗室所有)
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