磁電多鐵性材料是指同時(shí)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(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)調(diào)控電化或者電場(chǎng)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(shí)現(xiàn)下代信息存儲(chǔ)器、可調(diào)微波信號(hào)處理器、超靈敏磁電傳感器等域。而實(shí)際應(yīng)用要求材料同時(shí)具備大的電化強(qiáng)度以及強(qiáng)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(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室龍有文研究員（Quantum Design公司用戶）團(tuán)隊(duì)，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(shí)具備大電化強(qiáng)度以及強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)。

圖1 BiMn₃Cr₄O₁₂的系列磁電測(cè)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(qiáng)度；（d）磁化曲線；（e）低溫?zé)後岆?；（f）低溫電化強(qiáng)度

    通過磁化率、磁化強(qiáng)度、比熱、介電常數(shù)、電化強(qiáng)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(cè)試，龍有文團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度降低，BiMn₃Cr₄O₁₂在135 K經(jīng)歷了個(gè)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(qiáng)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(qiáng)度

    當(dāng)溫度降低到125 K時(shí)，BiMn₃Cr₄O₁₂經(jīng)歷了個(gè)反鐵磁相變，中子衍射證明該反鐵磁轉(zhuǎn)變?cè)从贐位Cr³⁺離子的G-型長(zhǎng)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(zhǎng)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(jìn)入到具有大電化強(qiáng)度的*類多鐵相（電化強(qiáng)度可能會(huì)比較大，但磁電耦合很?。?/p>

圖3 磁場(chǎng)對(duì)BiMn₃Cr₄O₁₂電化的調(diào)控，展示了強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng) 

    當(dāng)溫度繼續(xù)降低至48 K時(shí)，A'位的Mn³⁺離子也實(shí)現(xiàn)G-型長(zhǎng)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(diǎn)群的形成，可以打破空間反演對(duì)稱性。因此，48K時(shí)的反鐵磁相變誘導(dǎo)另個(gè)鐵電相變，伴隨強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng)的出現(xiàn)，此時(shí)材料同時(shí)呈現(xiàn)第二類多鐵相（材料具有較強(qiáng)的磁電耦合，但電化強(qiáng)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(qiáng)度與強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng)在這單相多鐵材料中同時(shí)實(shí)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(jìn)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(guó)內(nèi)外同行的廣泛合作，同時(shí)獲得了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院等項(xiàng)目的支持。

文章來源：（中國(guó)科學(xué)院物理研究所 | 北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，zui終解釋權(quán)歸中國(guó)科學(xué)院物理研究所 | 北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所有）