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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

多铁性异质结:1+1≠2

基于异质结界面而得以实现的复合型多铁性或磁电耦合性质本质上是一种呈展现象,即这种性质不是其组成成分单独所具有的特性,这体现了材料体系从简单到复杂过程中的某种跳跃式发展过程,即1+1≠2。文章主要介绍了近年来在多铁性异质结上的一些研究进展,包括界面磁电效应、多铁性隧道结以及基于异质结构的电控磁性等。这些进展表明,异质结研究极有可能是多铁性研究走向实用化的突破口。     

二维铁谷材料与多铁耦合

谷电子材料通过调节谷自由度编码和处理信息,在下一代信息存储器件中极具应用潜力。谷自由度与多种铁性序参量相互耦合,可以实现非易失的信息存储,这同时促进了谷物理和多铁性物理的发展。文章首先介绍谷电子学物理背景,列举出各类存在自发谷极化的本征谷材料,随后概述二维多铁材料的磁电谷耦合。最后,关注了谷电子器件最新进展,对二维铁谷材料多铁耦合的发展前景做出展望。     

Ruddlesden-Popper结构杂化非本征铁电体及其多铁性

正杂化非本征铁电性是指在具有钙钛矿结构单元的金属氧化物中由氧八面体面内旋转和面外倾侧耦合诱导出的二阶铁电序,其有望在室温强磁电耦合多铁性材料中获得重要应用,并将极大地拓展铁电体物理学的内涵和外延.本文在阐述杂化非本征铁电性物理起源及其内禀电控磁性的基础上,总结了有关Ruddlesden-Popper结构杂化非本征铁电体及多铁性的主要研究进展与面临的挑战,并展望了发展方向.     

多铁性:物理、材料及器件专题

正编者按作为凝聚态物理与材料物理的前沿分支之一,多铁性研究脱胎于磁电耦合的研究.固体中磁电耦合的概念最初由居里先生提出,至今已有一百多年.在漫长的历史长河中,磁电耦合领域的研究曾经在冷战时期短暂热闹过一阵,但随后是漫长的冷寂期.日内瓦大学的老先生Hans Schmid在磁电耦合领域坐了半辈子冷板凳,在1994年提出了多铁体(multiferroics)这个概念.九年之后,该领域研究才真正引起广泛关注.2003年以Bi Fe O3薄膜的大铁电极化和     

多铁性钙钛矿薄膜的氧空位调控研究进展

精确调控ABO_3钙钛矿结构中氧空位的位置与浓度已被证明可调控多铁性薄膜的不同物理性质,包括输运特性、光学特性和多铁性质等.本文回顾了多种典型的多铁性材料,从氧空位形成机理、氧八面体结构、应变-氧空位关系和具体物性调控效应(多铁、超导和电化学性能)等角度介绍了该体系中氧空位调控效应.同时依托氧空位调控的最新研究进展,尤其是对氧空位调控单相材料多铁性质方面工作的分析,为探索新型磁电功能性材料与器件提供了重要参考.     

单相多铁性材料中静态与动态磁电效应研究新进展

多铁性材料是一类新型多功能材料,其中磁有序与铁电序共存,且序参量之间存在非平庸的相互耦合效应。这使其具有巨大的工业应用前景并蕴含着丰富和有趣的基础物理问题。本文首先简要回顾多铁性材料研究的历史,重点介绍由磁有序引起的新型多铁性材料的实验和理论的新进展。随后,我们系统地概述多铁性材料中演生的一类新的元激发(即电磁振子)的物理特性以及当前对其产生机制的理解。最后,我们总结了多铁性材料研究中尚未解决的技术问题,并展望了多铁性材料的发展趋势。     

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。     

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.