多铁性十年回眸

多铁性研究可上溯至1950年代,作为凝聚态与材料物理的一个研究方向也算历史悠久;但大规模研究则主要受2003年两项里程碑性成果驱动,距今正好十年。所谓"十年树木",古训赋予我们回眸十年多铁研究的一个理由。这两项成果之一是BiFeO3外延薄膜制备及磁电耦合观测,主要贡献在于将互无交叠的磁电耦合唯象理论与多铁性微观物理框架通过铁性畴层次有机结合,触发多铁性薄膜与异质结的广泛研究。另一项成果是发现TbMnO3中巨大的磁电耦合效应,开启探索一大类具有崭新物理内涵的多铁性物质之路。对多铁性薄膜异质结的研究深入细致,体现了层层盘剥、细嚼慢咽的风格。而单相多铁性的探索则百花齐放、只争朝夕。前者如能工巧匠,其足迹是精湛研究技术方法与物理理论相结合的图画。后者如春潮奔腾,所到之处气象万千,其大观是科学发现与新材料探索的范例。文章基于粗略框架,对多铁性研究十年图景粗作描绘。有关多铁性各方面的详细论述则见诸本专题之隽文秀语。多铁性研究经历分而春秋的黄金十年,正出现久分必合的迹象,令人不忍释手。     

自支撑多铁性薄膜材料研究的机遇与挑战

多铁性材料兼具铁电、铁磁等两种或两种以上铁性有序,并且通过不同铁性之间的多物理场耦合实现新奇磁电效应,在信息存储、换能、传感等方面具有广阔的应用前景。当前,在基础及应用研究方面仍存在许多亟待解决的科学技术问题,譬如寻找及制备室温以上具有强磁电耦合效应的多铁性材料,以及解决与半导体的器件集成问题等,而近年来迅速发展的自支撑薄膜制备技术为此提供了新的机遇。与块体材料及束缚在刚性衬底上的外延薄膜相比,自支撑薄膜具有极为优异的晶格调控自由度,可获得前所未有的极端一维、二维应变(应变梯度),并能够实现人工异质结的构建与器件集成等,为多铁性材料的研究提供了新的材料体系和契机。文章围绕自支撑钙钛矿氧化物(多)铁性材料及人工异质结,总结了最近的重要研究进展,并尝试初步探讨该方向未来可能面临的机遇与挑战。     

基于PbMg_(1/3)Nb_(2/3)O_3-PbTiO_3压电单晶的磁电复合薄膜材料研究进展

电子信息技术的迅速发展对磁电功能器件的微型化、智能化、多功能化以及灵敏度、可靠性、低功耗等都提出了更高的需求,传统的块体磁电功能材料已日渐不能满足上述需求,而层状磁电复合薄膜材料同时具有铁电性、铁磁性和磁电耦合等多种特性,因此能满足上述需求且有望应用于新一代磁电功能器件.层状磁电复合材料不仅具有非常丰富的物理现象和效应,而且在弱磁探测器、多态存储器、电写磁读存储器、电场可调低功耗滤波器、移相器、天线等微波器件中也具有广阔的应用前景,因而受到材料科学家和物理学家广泛的关注和研究.在层状磁电复合材料中,功能薄膜/铁电单晶异质结因其制备简单、结构设计和材料选择灵活以及电场调控方便和有效,最近十余年引起了越来越多的研究人员的兴趣.目前,以具有优异铁电和压电性能的(1-x)PbMg_(1/3)Nb_(2/3)O_3-PbTiO_3(PMN-PT)单晶作为衬底,构建功能薄膜/PMN-PT异质结已成为国内外多铁性复合薄膜材料研究领域的重要方向之一.相比于其他国家,我国科学家无论在发表的文章数量还是在文章被引用次数方面都处于领先地位,表明我国在功能薄膜/PMN-PT单晶异质结方面的研究卓有成效.迄今为止,研究人员已构建了锰氧化合物/PMN-PT、铁氧体/PMN-PT、铁磁金属/PMN-PT、稀磁半导体/PMN-PT、发光材料/PMN-PT、二维材料/PMN-PT、多层薄膜/PMN-PT、超导薄膜/PMN-PT等多种类型的异质结,在理论研究和实验方面都取得了丰富的研究成果.本文对基于PMN-PT压电单晶的磁电复合薄膜材料的研究进展进行了总结:简要介绍了与功能薄膜/PMN-PT异质结相关的研究论文发表现状;介绍了PMN-PT单晶在准同型相界附近的相图和应变特性;按照功能薄膜材料所属的体系对异质结进行了分类,并选取部分代表性的研究成果,介绍了材料的磁电性能和内涵的物理机制;最后就目前有待解决的问题和未来可能的应用方向进行了总结和展望.     

基于磁电耦合效应的基本电路元件和非易失性存储器

磁电耦合效应是指磁场控制电极化或者电场控制磁性的物理现象,它们为开发新型电子器件提供了额外的物理状态自由度,具有巨大的应用潜力.磁电耦合系数作为磁电耦合材料的重要参量,体现了材料磁化和电极化的耦合性能,其随外加物理场的变化可以表现出非线性回滞行为,具备作为非易失存储的物理状态特征.本文讨论了基于磁电耦合效应如何建立起电荷-磁通之间的直接关联,继而实现了第四种基本电路元件并构建了完整的电路元件关系图.在此基础上,研究了多铁性异质结中的非线性磁电耦合效应,并利用其独特的电荷-磁通关联特性,开发了基于磁电耦合系数的电写-磁读型非易失性信息存储、逻辑计算与类神经突触记忆等一系列新型信息功能器件.     

多铁性磁电器件研究进展

多铁性材料可以实现力、电、磁等多物理场之间的相互耦合,在小尺寸、快速响应和低功耗的磁电器件领域具有重要的应用前景.在应用需求的推动下,以具有磁电耦合效应的多铁性材料为基础的磁电器件在设计、微纳加工和性能优化等方面的研究取得了持续的进展.本文简要介绍了基于磁电耦合效应的几种原型器件的最新进展,包括可调谐电感、滤波器、磁电存储器、能量回收器、磁电传感器和磁电天线等,分析总结了各种磁电器件的工作原理及其性能表现,讨论了当前多铁性磁电器件研究所面临的问题和挑战,并提出了改进磁电器件性能的研究方向.     

高温单相多铁性材料与强磁电耦合效应

高温多铁性与强磁电耦合效应是多铁性材料研究领域的两个核心内容。文章首先介绍了已知单相多铁性材料的分类,然后简要综述了一些具有高温多铁性与强磁电耦合效应的代表性材料体系,包括螺旋磁结构六角铁氧体、电荷有序化合物、金属—有机骨架材料等。     

磁电效应研究进展

多铁体(multiferroic)和磁电体(magnetoelectric material)最近几年已迅速成为物理界和材料界的研究热点,其潜在的应用价值必将随着未来的深入研究而得到进一步展现。围绕磁电效应这一多铁体和磁电体最重要的特性,本文介绍了近期理论和实验研究的多方面进展,其中重点评述了有关磁电效应产生机制,特别是一些新颖机制如界面磁电效应,表面磁电效应,电子型多铁性,螺旋自旋(spiral spin)铁电性,铁涡性(ferrotoroidic)和一些广义磁电效应如拓扑磁电效应等的相关研究。文章最后介绍了基于多铁体和磁电体的一些新型功能性器件,如四态存储器,多铁性内存,磁读电写硬盘等。     

顺磁性La2/3Sr1/3MnO3层对Bi0.8Ba0.2FeO3薄膜多铁性能的影响

界面效应在提升异质结构材料的多铁性能方面有着重要的作用. 本文采用脉冲激光沉积技术在SrTiO₃(STO)基片上制备了Bi_0.8Ba_0.2FeO₃(BBFO)/La_2/3Sr_1/3MnO₃(LSMO)异质结. X-射线衍射图谱表明异质结呈现单相外延生长, 利用高分辨透射电镜进一步证实了BBFO为四方相结构. X-射线光电子能谱证实异质结中只存在Fe³⁺ 离子, 没有产生价态的变化, 揭示了异质结铁电和铁磁性的增强与BBFO/LSMO的界面有关. 同时, 测试了磁电阻(MR)和磁介电(MD), 当磁场强度为0.8 T, 温度为70 K时, MR约为-42.2%, MD约为21.2%. 并且发现在180 K时出现磁相的转变. 实验结果揭示出异质界面效应在提升材料的多铁性和磁电耦合效应方面具有超常的优点, 是加快多铁材料实际应用的有效途径.     

磁电效应研究进展

多铁体(multiferroic)和磁电体(magnetoelectric material)最近几年已迅速成为物理界和材料界的研究热点,其潜在的应用价值必将随着未来的深入研究而得到进一步展现.围绕磁电效应这一多铁体和磁电体最重要的特性,本文介绍了近期理论和实验研究的多方面进展,其中重点评述了有关磁电效应产生机制,特别是一些新颖机制如界面磁电效应,表面磁电效应,电子型多铁性,螺旋自旋(spiral spin)铁电性,铁涡性(ferrotoroidic)和一些广义磁电效应如拓扑磁电效应等的相关研究.文章最后介绍了基于多铁体和磁电体的一些新型功能性器件,如四态存储器,多铁性内存,磁读电写硬盘等.     

磁电异质结及器件应用

磁电异质结是由铁磁和铁电材料通过连接层耦合而成,其磁电效应来源于铁电相的压电效应和铁磁相的磁致伸缩效应.相对于颗粒混相磁电复合材料,层状磁电异质结材料具有更高的磁电耦合系数和更低的介电损耗,使得其在磁场传感器、能量收集器、天线以及存储器等领域都有着巨大的应用前景.本综述重点总结了磁电异质结材料的发展历程以及相关应用领域的最新进展,最后评述了磁电异质结材料发展的挑战和前景展望.     

磁电多铁性材料的宠儿:铁酸铋(BiFeO_3)研究进展的十年回顾

近十几年来,由于对新一代高性能(低能耗、高存储密度、高读写速度)电子功能器件的需求,多铁性材料特别吸引人们的关注。在这些多铁性化合物中,铁酸铋(BiFeO3,简写为BFO)具有高的铁电居里温度和高的反铁磁转变温度,是目前最有应用前景的多铁性材料之一。文章介绍了BFO的晶体结构、铁电极化结构以及反铁磁自旋结构,探讨了在它的基态和高应变状态下,极化与自旋是如何强耦合在一起的。在此基础上,进一步探讨了利用铁电/反铁磁BFO基体系来实现强磁电耦合效应(特别是在低维系统如异质结界面、畴壁或相界中)。文章还对BFO基纳米复合自组装结构中的磁电耦合做了简单介绍。通过对BFO这一多铁性模型体系的研究,可以帮助人们更好地认识铁性材料中衍生出的新奇量子现象,从而利用高等外延生长技术开发和设计新型人造超结构来实现材料的电性、磁性和弹性之间的耦合。     

多铁异质结构中逆磁电耦合效应的研究进展

电场调控磁性能够有效降低功耗,在未来低功耗多功能器件等方面具有巨大的潜在应用前景.铁磁/铁电多铁异质结构是实现电场调控磁性的有效途径,其中室温、磁电耦合效应大的应变媒介磁电耦合是最为活跃的研究领域之一.本文简要介绍在以Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))_(0.7)Ti_(0.3)O_3为铁电材料的多铁异质结构中通过应变媒介磁电耦合效应对磁性、磁化翻转及磁性隧道结调控的研究进展.首先讨论了多铁异质结构中电场对磁性的调控;之后介绍了电场调控磁化翻转的研究进展及理论上实现的途径;然后简述了电场对磁性隧道结调控的相关结果;最后在此基础上,对多铁异质结构中电场调控磁性及磁性器件进行了总结和展望.     

脉冲强磁场下的电极化测量系统

多铁性材料是当前物质科学研究的热点,具有重要的科学研究意义和应用前景.低温和强磁场实验环境为研究多铁性材料提供了一种有效途径.脉冲强磁场下的电极化测量系统能实现最高磁场强度60 T、最低温度0.5 K的铁电特性测量.该系统采用热释电方法,具有磁场强度高、控温范围广、转角测量等特点,可用于强磁场下的磁电特性研究.本文介绍了该系统的测量装置和实验原理,并展示了其在多铁性材料研究中的一系列应用,揭示了脉冲强磁场电极化测量系统在磁电特性探索中的重要作用.     

单相磁电多铁性体研究进展

文章从电磁耦合现象及磁电效应出发,简要介绍了单相磁电多铁性体(铁电磁体)的最新研究进展。     

单相磁电多铁性体研究进展

文章从电磁耦合现象及磁电效应出发,简要介绍了单相磁电多铁性体(铁电磁体)的最新研究进展。     

多阶有序钙钛矿多铁性材料的高压制备与物性

钙钛矿是研究磁电多铁性最重要的材料体系之一.由于高的结构对称性,在以往的立方钙钛矿晶格中尚未发现多铁现象.另外,现有的单相多铁性材料很难兼容大电极化和强磁电耦合,严重制约多铁性材料的潜在应用.本文简单综述了利用高压高温条件制备的两个多阶有序钙钛矿氧化物的磁电多铁性质.在具有立方晶格的多阶钙钛矿LaMn_3Cr_4O_(12)中,观察到自旋诱导的铁电极化,表明该材料是第一个被发现的具有多铁性的立方钙钛矿体系.在另一个多阶有序钙钛矿BiMn_3Cr_4O_(12)中,随温度降低该材料依次经历了I类多铁相和II类多铁相.正因为这两类不同多铁相的同时出现,BiMn_3Cr_4O_(12)同时展示了大的电极化强度和强的磁电耦合效应,并且通过不同的电场调控可实现四重铁电极化态,为开发多功能自旋电子学器件与多态存储提供了先进的材料基础.     

GaN／A1xGal-xN异质结二维电子气的磁电阻研究

通过对GaN／A1xGa1-xN异质结中二维电子气磁输运结果的分析,研究了磁电阻的起因．结果表明,整个磁场范围的负磁电阻是由电子一电子相互作用引起的,而高场下的正磁电阻来源于平行电导的进一步修正．用拟合的方法得到了电子一电子相互作用项以及平行电导层的载流子浓度和迁移率,并用不同的计算方法对拟合结果进行了验证．     

GaN/AlxGa1-xN异质结二维电子气的磁电阻研究

通过对GaN/Al_xGa_1-xN异质结中二维电子气磁输运结果的分析,研究了磁电阻的起因.结果表明,整个磁场范围的负磁电阻是由电子-电子相互作用引起的,而高场下的正磁电阻来源于平行电导的进一步修正.用拟合的方法得到了电子-电子相互作用项以及平行电导层的载流子浓度和迁移率,并用不同的计算方法对拟合结果进行了验证.     

钙钛矿氧化物异质结的研究进展

在过去几年中,为了研究钙钛矿氧化物异质结的物性和潜在的应用前景,我们进行了许多探索。在本文中,我们总结了对钙钛矿氧化物异质结一些物理性质的理论描述,揭示了La0.9Sr0.1MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3异质结中发现的正磁电阻效应和横向光电效应的物理起源。我们提出的理论模型将有助于理解界面对钙钛矿氧化物异质结各种性质的影响。     

La1．89Ce0．11CuO4／La0．7Ca0．3MnO3异质结的原位制备及输运性质研究

采用脉冲激光沉积方法，在SrTiO3（STO）基片上原位制备了电子型掺杂高温超导体La1．89Ce0．11CuO4（LCCO）与超大磁电阻（CMR）材料La0．7Ca0．3MnO3（LCMO）异质结．使用X射线衍射和透射电镜分析，表明异质结是c轴取向外延生长．LCCO层的超导转变温度了TC0是18．5K，LCMO层的金属一绝缘转变温度为195K．我们研究了这种异质结的界面微分电导，得到LCCO的能隙大小是4．2meV．