钙钛矿超晶格的演生磁电物性

钙钛矿过渡金属氧化物中存在诸多自由度（如晶格、电荷、自旋和轨道）,这些自由度 之间的相互耦合以及相互竞争会诱导出很多奇异物性,如高温超导、庞磁电阻效应、多铁性等, 这些物性在量子器件的发展过程中扮演了重要的角色。在此基础上,若再将不同特性的氧化物材 料耦合在一起形成超晶格,通过界面处的晶格重组与电子重组,体系可呈现出更加丰富的物理和 更多可调控的性能。本综述主要关注钙钛矿超晶格中的磁电物性。首先介绍了超晶格中磁性调控 的几种物理机制,然后对超晶格中的杂化非本征铁电性以及电子铁电性进行了重点讨论,最后围 绕超晶格中的磁电耦合效应进行了讨论和总结。     

磁致多铁性物理与新材料设计

磁致多铁材料是多铁性材料大家族中的后起之秀,其特色在于其铁电性起源于特定的磁序,因此其铁电性与磁性紧密关联,具有本征的强磁电耦合效应。目前对磁致多铁性的研究以基础物理为主。随着对磁致多铁现象背后物理机制认识的不断深入,不断有新的磁致多铁材料被设计、预言和发现,其性能也在不断地提高。文章简要介绍了磁致多铁材料所涉及的基本物理机制,并根据这些已知的规律,回顾了近年来寻找和设计新的磁致多铁材料的经验。     

磁致多铁性物理与新材料设计

磁致多铁材料是多铁性材料大家族中的后起之秀,其特色在于其铁电性起源于特定的磁序,因此其铁电性与磁性紧密关联,具有本征的强磁电耦合效应。目前对磁致多铁性的研究以基础物理为主。随着对磁致多铁现象背后物理机制认识的不断深入,不断有新的磁致多铁材料被设计、预言和发现,其性能也在不断地提高。文章简要介绍了磁致多铁材料所涉及的基本物理机制,并根据这些已知的规律,回顾了近年来寻找和设计新的磁致多铁材料的经验。     

电荷媒介的磁电耦合:从铁电场效应到电荷序铁电体

磁电耦合效应是百年铁电领域中新兴的科学话题和前沿难点.包含两种及以上铁性序的多铁性材料则是追求本征强磁电耦合的理想体系,其展现了丰富的物理性质,蕴含着很高的应用潜力.作为关联电子大家庭的一个分支,多铁性材料体系也涉及电荷、自旋、轨道,以及晶格多重自由度.但过往的磁电耦合研究对自旋与晶格自由度关注最多,却往往忽略了其中的电荷自由度.实际上,电荷自由度可以在磁电耦合中扮演重要的媒介作用.本文将介绍异质结中的铁电场效应和单相多铁性材料中的电荷序所涉及的磁电耦合物理机制,以及回顾作者近年来在此方向上的若干尝试,希望能为本领域的研究者提供一些参考.     

单相ABO3型多铁材料的磁电耦合及磁电性质研究

实验发现多铁性钙钛矿物质YMnO3和BiMnO3在接近磁有序相变温度时,其介电常数和正切损失会出现异常,这些现象说明在物质的磁性和介电性质之间存在耦合.通过对系统磁性和铁电性之间可能磁电耦合方式的分析,考虑在系统哈密顿量中加入与自旋关联和极化相关的耦合项,对铁电子系统应用软模理论,对磁性运用基于海森伯模型的量子平均场近似,研究了外磁场诱导的极化、介电的变化和外电场诱导的磁化的变化等,并将以上结果与实验进行了比较和分析,较为合理地解释了一些多铁钙钛矿物质中的磁电现象.     

单相ABO3型多铁材料的磁电耦合及磁电性质研究

实验发现多铁性钙钛矿物质YMnO₃和BiMnO₃在接近磁有序相变温度时,其介电常数和正切损失会出现异常,这些现象说明在物质的磁性和介电性质之间存在耦合.通过对系统磁性和铁电性之间可能磁电耦合方式的分析,考虑在系统哈密顿量中加入与自旋关联和极化相关的耦合项,对铁电子系统应用软模理论,对磁性运用基于海森伯模型的量子平均场近似,研究了外磁场诱导的极化、介电的变化和外电场诱导的磁化的变化等,并将以上结果与实验进行了比较和分析,较为合理地解释了一些多铁钙钛矿物质中的磁电现 关键词： 多铁 磁电耦合 铁电 铁磁     

铁电-铁磁多铁性脉冲形成线特性

对"多铁性"脉冲形成线输出特性进行了研究。利用镍锌铁氧体-钛酸钡陶瓷复合多铁性材料制作了脉冲形成线。在不同的磁回路条件下得到了不同脉冲宽度的电脉冲方波,其中以高磁导率材料组合成的闭合磁回路得到了脉冲宽度约201 ns的方波输出。推算出脉冲形成线的相对介电常数接近2 000,相对磁导率大于1.4。基于有效磁导率的概念,分析了多铁性脉冲形成线几何构型对脉冲输出特性的影响。分析表明:平板状"多铁性脉冲形成线"的有效磁导率不仅取决于平板介质的磁导率,还取决于周围介质的磁导率,因而有效磁导率通常较小,其输出表现出明显的铁电性而只有"弱"的铁磁性;相比之下,同轴结构的"多铁性脉冲形成线"具有更高的有效磁导率,其输出可同时表现出强的铁电性和铁磁性,即更明显的"多铁性"。"多铁性脉冲形成线"有可能在紧凑型脉冲功率系统中获得应用。     

铁电-铁磁多铁性脉冲形成线特性

对“多铁性”脉冲形成线输出特性进行了研究。利用镍锌铁氧体-钛酸钡陶瓷复合多铁性材料制作了脉冲形成线。在不同的磁回路条件下得到了不同脉冲宽度的电脉冲方波,其中以高磁导率材料组合成的闭合磁回路得到了脉冲宽度约201 ns的方波输出。推算出脉冲形成线的相对介电常数接近2 000,相对磁导率大于1.4。基于有效磁导率的概念,分析了多铁性脉冲形成线几何构型对脉冲输出特性的影响。分析表明:平板状“多铁性脉冲形成线”的有效磁导率不仅取决于平板介质的磁导率,还取决于周围介质的磁导率,因而有效磁导率通常较小,其输出表现出明显的铁电性而只有“弱”的铁磁性;相比之下,同轴结构的“多铁性脉冲形成线”具有更高的有效磁导率,其输出可同时表现出强的铁电性和铁磁性,即更明显的“多铁性”。“多铁性脉冲形成线”有可能在紧凑型脉冲功率系统中获得应用。     

多铁性材料的第一性原理模型哈密顿量研究

由于在某些多铁性材料中存在着自旋、轨道和晶格等多种自由度的强耦合,它们会表现出丰富而有趣的相图与物理性质。但目前第一性原理方法还不能直接用来研究这些材料在有限温度下的物理性质。而基于第一性原理的有效哈密顿量方法却可突破这一限制。文章通过介绍几项研究工作,包括磁致铁电体RMn2O5和CuO的相图,以及RMn2O5中的电磁子,来说明这个方法在多铁性材料研究中的应用。     

复合薄膜NiFe2 O4-BiFeO3 中的磁电耦合

采用化学溶液沉积法(CSD)在Au/Ti/SiO₂/Si衬底上通过自组装生长制备了BiFeO₃-NiFe₂O₄ (BFO-NFO)多铁性复合薄膜.X射线衍射图谱(XRD)显示形成了分离的钙钛矿结构的铁电相BFO和尖晶石结构的铁磁相NFO. NFO的引入导致复合薄膜的泄漏电流减小,剩余极化强度增加.相比于纯BFO薄膜,0.25NFO-0.75BFO样品泄漏电流下降了约两个数量级,剩余极化强度( M _{关键词： 多铁性复合薄膜 磁电耦合 铁电性 铁磁性}     

应变作用下EuTiO3材料磁性的格林函数理论研究

基于自旋波和格林函数理论,研究了低温下二维应变诱导的EuTiO3在铁电四方相下的磁性性质,主要讨论了在铁电四方相下Eu离子在铁磁性和反铁磁性有序时系统沿不同高对称性方向的自旋波散射和磁化。我们发现施加外加应变不仅可改变晶格结构的对称性,还可以通过改变电子自旋之间的交换耦合作用,进而改变该材料的磁性散射和磁化等。     

应变作用下EuTiO_3材料磁性的格林函数理论研究

基于自旋波和格林函数理论,研究了低温下二维应变诱导的EuTiO_3在铁电四方相下的磁性性质,主要讨论了在铁电四方相下Eu离子在铁磁性和反铁磁性有序时系统沿不同高对称性方向的自旋波散射和磁化.我们发现施加外加应变不仅可改变晶格结构的对称性,还可以通过改变电子自旋之间的交换耦合作用,进而改变该材料的磁性散射和磁化等.     

2-2型PMNT/NFO复合磁电效应模拟

利用弹性力学模型,基于铁电相与铁磁相的本构方程,建立磁电复合材料的本构方程,推导2-2型非理想耦合的磁电双层、三层复合薄膜的纵向、横向磁电(ME)电压系数.研究铁磁相材料铁酸镍(NFO)和铁电相材料铌镁酸铅-钛酸铅(PMNT)复合的磁电效应,分析复合材料的磁电电压系数与PMNT体积分数、界面耦合参数、两相体积比及复合总层数的关系.结果表明两相材料的性能、体积分数以及耦合系数、复合层数都影响磁电电压系数.     

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.     

Electric-field-induced spin flop in BiFeO3 single crystals at room temperature

Bismuth ferrite, BiFeO3, is the only known room-temperature magnetic ferroelectric material. We demonstrate here, using neutron scattering measurements in high quality single crystals, that the antiferromagnetic and ferroelectric order parameters are intimately coupled. Initially in a single ferroelectric state, our crystals have a canted antiferromagnetic structure describing a unique cycloid. Under electrical poling, polarization reorientation induces a spin flop. We argue here that the coupling between the two orders may be stronger in the bulk than in thin films where the cycloid is absent.     

Observation of magnetoelectric behavior at room temperature in Pb(FexTi1−x)O3

The co-existence of ferroelectric and ferromagnetic properties at room temperature is very rarely observed. We have been successful in converting ferroelectric PbTiO₃ into a magnetoelectric material by partly substituting Fe at the Ti site. The Pb(Fe_xTi_1−x)O₃ system exhibits ferroelectric and ferromagnetic ordering at room temperature. Even more remarkably, our results demonstrate a coupling between the two order parameters. Hence it could be a futuristic material to provide cost effective and simple path for designing novel electromagnetic devices.     

Effect of thermal stresses on the phase transition temperature in a ferroelectric-dielectric nanocomposite

The mechanism of an increase in the phase transition temperature of a ferroelectric-dielectric nanocomposite above the corresponding temperature of an unbounded homogeneous ferroelectric has been revealed. The significant thermal stresses induced in the composite material due to the difference in the thermal and elastic characteristics of its components affect the polarized state of the ferroelectric component via the electrostrictive coupling and can lead to an increase in the phase transition temperature of the composite.     

铁电双层膜的反转动力学行为

基于Landau-Khalatnikov运动方程,本文研究了含有表面过渡层和铁电界面耦合的反转动力学行为(包括平均极化、反转时间、反转电流和矫顽场).研究结果表明:在铁电双层膜系统中存在一个竞争的机理,即表面过渡层与界面耦合的竞争作用.我们发现在双层膜反转过程中出现了反常行为,这些反常行为归因于表面过渡层与界面耦合之间的竞争.表面过渡层与界面耦合的共同行为对铁电双层膜的动力学特性起到了决定性的作用.     

Direct observation of ferroelectric domain switching in varying electric field regimes using in situ TEM

In situ Transmission Electron Microscopy (TEM) techniques can potentially fill in gaps in the current understanding interfacial phenomena in complex oxides. Select multiferroic oxide materials, such as BiFeO(3) (BFO), exhibit ferroelectric and magnetic order, and the two order parameters are coupled through a quantum-mechanical exchange interaction. The magneto-electric coupling in BFO allows control of the ferroelectric and magnetic domain structures via applied electric fields. Because of these unique properties, BFO and other magneto-electric multiferroics constitute a promising class of materials for incorporation into devices such as high-density ferroelectric and magnetoresistive memories, spin valves, and magnetic field sensors. The magneto-electric coupling in BFO is mediated by volatile ferroelastically switched domains that make it difficult to incorporate this material into devices. To facilitate device integration, an understanding of the microstructural factors that affect ferroelastic relaxation and ferroelectric domain switching must be developed. In this article, a method of viewing ferroelectric (and ferroelastic) domain dynamics using in situ biasing in TEM is presented. The evolution of ferroelastically switched ferroelectric domains in BFO thin films during many switching cycles is investigated. Evidence of partial domain nucleation, propagation, and switching even at applied electric fields below the estimated coercive field is revealed. Our observations indicate that the occurrence of ferroelastic relaxation in switched domains and the stability of these domains is influenced the applied field as well as the BFO microstructure. These biasing experiments provide a real time view of the complex dynamics of domain switching and complement scanning probe techniques. Quantitative information about domain switching under bias in ferroelectric and multiferroic materials can be extracted from in situ TEM to provide a predictive tool for future device development.     

铁电超晶格的一个唯象模型

引入了一个描述铁电超晶格行为模式的唯象模型.在模型中,同时考虑体与体之间的多种耦合方式.通过数值模拟,得出了超晶格的极化强度、居里温度、临界尺寸和耦合系数之间的关系.认为耦合参数c是一个与温度、晶格尺寸相关的函数,进而提出了一个关于耦合参数c的经验公式,解释了一个近期的关于KTaO₃/KNbO₃超晶格材料的实验结果. 关键词：