多铁性材料的研究进展_段星
复合材料
高分子复合材料结课论文石墨烯复合材料制备和应用进展 学院：材料学院 班级：高分子12-1班 姓名：苏庆慧 学号：1201130724
石墨烯复合材料制备和应用进展 摘要:石墨烯和碳纳米管都是纳米尺寸的碳材料，具有极大的比表面积、良好的导电性以及优秀的机械性能等特性。选择合适的方法制备出石墨烯/碳纳米管复合材料，它们之间可以产生一种协同效应，使其各种物理化学性能得到增强，因而这种复合材料在很多领域有着极大的应用前景。以石墨烯/碳纳米管复合材料为综述对象，详细地介绍了它的制备、掺杂和应用等方面的进展，同时也对其发展前景进行了展望。这种复合材料不仅被成功地应用在电容器、光电器件、储能电池、电化学传感器和其它领域，而且也会在这些领域内深化并向其它领域延伸。关键词石墨烯；碳纳米管；复合材料；制备；应用 Abstract：Graphene and carbon nanotubes are nanometer-sized carbon materials with the characteristics of the great specific surface area，good electrical conductivity and excellent mechanical properties。Selecting appropriate methods to prepare graphene/carbon nanotube composites can generate a synergistic effect between them with many physical and chemical properties enhanced，and these composites have a great future in many areas。In this paper，some kinds of preparation methods about graphene/carbon nanotube composites were described in detail，such as chemical vapor deposition，layer by layer deposition,electrophoretic deposition，vacuum filtration，coating membrane and in situ chemical reduction method。The advantages and disadvantages of these methods were compared as table format。To further enhance the functions，the graphene/carbon nanotube composites were doped with other materials such as polymer materials，nanoparticles，metal oxide to achieve the purpose of modification。Some researchers proposed theoretical computer model design for some special composites structures such as three-dimensional columnar structure and spiral structure to improve the performance of composites。Meanwhile，the applications of composites in supercapacitor，a photoelectric conversion device，energy storage batteries，electrochemical sensors and other fields were discussed in detail。These applications fully proved that composites had a brighter future than pure graphene or carbon nanotube。In addition，the developments of composites are prospected。Preparations of grapheme/carbon nanotube composites are maturing，but
多铁性磁电材料应用于存储技术的研究现状
硅酸盐学报 硅 酸 盐 学 报 · 1792 · 2011年 多铁性磁电材料应用于存储技术的研究现状 施 科，何泓材，王 宁 (电子科技大学微电子与固体电子学院，电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都 610054) 摘 要：多铁性磁电材料同时具有铁电性、铁磁性和磁电效应等多种性能，它为新功能存储器件的设计提供了可能性。主要综述了多铁性磁电单相和复合材料在存储技术领域的应用研究，包括基于多铁性磁电材料设计的“电写磁读”多铁性磁电存储器、多态存储器以及基于多铁性磁电材料设计双稳态储存器件的新原理和新思路；介绍了多铁性磁电材料在存储读头技术方面的应用；并将基于多铁性磁电材料的存储器与其他几种存储器作了简单比较；最后就多铁性磁电材料的存储技术发展面临的挑战进行了总结和归纳。 关键词：多铁性磁电材料；存储器；读头；铁电性；铁磁性 中图分类号：TB34；TP333 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2011)11–1792–08 网络出版时间：2011–10–25 10:49:06 DOI ：CNKI:11-2310/TQ.20111025.1049.014 网络出版地址：https://www.360docs.net/doc/7b12744795.html,/kcms/detail/11.2310.TQ.20111025.1049.014.html Recent Progress in Application of Multiferroic Magnetoelectric Materials on Storage Technology SHI Ke ，HE Hongcai ，WANG Ning (State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, School of Microelectronics and Solid-State Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China ) Abstract: Since multiferroic magnetoelectric (ME) material has ferroelectric, ferromagnetic and magnetoelectric properties, it is pos-sible to use this material for the design of storage device. Recent development on the application of single-phase or composite ME material on storage technology was reviewed. The areas were magnetoelectric random access memories (MERAM) with electric writing and magnetic read, magnetoelectric multiple-state storages, other new storages with novel working principles and ME read heads. In addition, the storage devices based on ME materials were compared with other different storage devices, and the challenges with the storage technology were summarized. Key words: multiferroic magnetoelectric material; storage device; read head; ferroelectricity; ferromagnetism 在器件微型化、功能需求多样化的现代生活和生产中，多功能智能材料成为人们关注的焦点，多 铁性磁电材料[1–4]是其中的典型代表。 这种材料不仅兼具铁电性和铁磁性，而且还具有铁电性/铁磁性之间的耦合性能，如通过外加电场能够改变材料的磁极化[5]或磁阻[6]，施加磁场产生电极化的磁电效应[7]，磁场下介电常数发生变化的磁介电效应[8]等，可大大开拓材料应用范围。不仅在传统的传感器[9]、存储器[10–11]、微波器件[12–13]等器件领域可以得到应用，还可以利用其同时具备铁电、铁磁、磁电等多 种性质于一体，进一步增加微电子器件设计的自由度，设计出对电、磁、力都响应的集成器件。如今，多铁性磁电材料已成为智能材料与器件方向的研究热点，正受到越来越多研究者的关注[14–17]。 随着信息技术的高速发展，要求存储技术提供速度更快，容量更大，功耗更低，体积更小，寿命更长，可靠性更高的存储器[18]。传统的半导体工艺技术已经逐渐逼近物理极限，难以大幅度提高存储器的性能。要想有突破性的进展，就必须另辟蹊径，寻找新材料或新的原理和方法。多铁性磁电材料同 收稿日期：2011–05–10。 修改稿收到日期：2011–06–28。 基金项目：国家自然科学基金(51002020)；中央高校基本科研业务费专 项资金(ZYGX2009J033)资助项目。 第一作者：施 科(1987—)，男，硕士研究生。 通信作者：何泓材(1980—)，男，博士，副教授。 Received date: 2011–05–10. Approved date: 2011–06–28. First author: SHI Ke (1987–), male, graduate student for master degree. E-mail: she.ki@https://www.360docs.net/doc/7b12744795.html, Correspondent author: HE Hongcai (1980–), male, Ph.D., associate pro-fessor. E-mail: hehc@https://www.360docs.net/doc/7b12744795.html, 第39卷第11期 2011年11月 硅 酸 盐 学 报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 39，No. 11 November ，2011
多铁性物理-东南大学
多铁性：物理、材料及器件专题 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BiFeO3薄膜的大铁电极化和TbMnO3单晶的磁控电这两大突破作为里程碑,该领域快速蹿红,吸引了大量研究者的瞩目.在接下来的几年中,研究者在该领域迅速取得了若干重要突破性成果.2007年底美国《科学》杂志遴选了七个下一年度重点关注领域(Areas to Watch),多铁体荣幸入选,并且这是凝聚态物理/材料物理方向唯一入围者. 但出乎意料,2008年铁基超导的异军突起与拓扑绝缘体的系列突破迅速抢占了凝聚态物理/材料物理大舞台的主角位置,掩盖了多铁体的光彩.因此最近十年来多铁领域的研究变得相对平淡.但即使在这样的平淡岁月中,仍然有一群研究者一直在这个领域坚持耕耘,默默地将该领域一步步向前推进.实际上,这个领域在过去十年的发展并不孤独,而是逐渐和物理的各分支（包括理论物理、凝聚态物理、材料物理、光物理、器件物理等）交叉融合.因此当前的多铁领域研究已经涵盖了从基础物理理论,到具体材料体系,再到器件应用等多个方面. 受《物理学报》责任编缉古丽亚的委托,我邀请了国内若干活跃在该领域前沿的中青年专家撰稿,合成这样一期以短篇综述为主的专辑,较为全面和深入地介绍该领域已取得的部分成果以及最新进展.从研究内容上,可大致分为两类:一是,探索多铁性材料和揭示其物理规律;二是,探索多铁性异质结、器件和应用.第一类研究的综述包括(以下排名按投稿先后): 1)Ruddlesden-Popper结构杂化铁电体(浙江大学刘小强、陈湘明等);2)低维铁电材料(南京理工大学阚二军等);3)激发态电荷输运有机多铁体(南京理工大学袁国亮等);4)异常双钙钛矿多铁氧化物(中山大学李满荣等);5)四倍体钙钛矿多铁氧化物(中国科学院物理研究所龙有文等);6)非常规铁电钙钛矿氧化物(上海大学任伟等);7)铋层状多铁氧化物单晶薄膜(中国科学技术大学翟晓芳、陆亚林等).第二类研究的综述包括:1)多铁性磁电异质结及器件(清华大学赵永刚等;西安交通大学胡忠强、刘明等;南京理工大学汪尧进等);2)压电单晶磁电复合薄膜(中国科学院上海硅酸盐研究所郑仁奎等);3)铁电光伏效应(苏州大学蔡田怡、雎胜);4)钙钛矿薄膜的多铁性与氧空位调控(南京航空航天大学杨浩等);5)微纳尺度电场驱动磁翻转(华南师范大学高兴森等).除了短篇综述外,还有三篇研究论文,在此就不细述.希望这个专题能够为国内多铁性及相关领域研究的学术交流做一些贡献. (客座编辑东南大学物理学院董帅)
多铁性材料的自旋起源
多铁性材料的自旋起源 多铁材料由磁有序和铁电有序共同组成的，据信是在固体材料系统通过一个微小的能量消耗来完成磁与电的交叉控制的关键。例如巨磁电效应在凝聚态物理中在很长一段时间内引起了大家强烈的兴趣，希望得到一个新兴自旋相关连电子的方程。 在这里我们以磁性材料中实现多铁性和自旋驱动铁的电性开始，以上已经通过精确地试验和理论被证实。根据假设的机制，很多多铁性材料被开发与探索，最新的研究实现了巨磁电效应的控制，我们纵观多铁材料的各种基本机制的观点和基本的磁电特性。 多铁材料科学的一个最新的方向是动力学磁电效应，换句话说就是固体中动力学和电和磁偶极子快速交叉控制。我们着重讨论多铁性畴壁的动力学有助于增大磁电响应，其可通过介电谱来显示。另外的相关问题是活跃的电偶极子的磁共振，叫做电磁振子。最后我们总结多铁材料从在固体中宽泛的新型电磁学何处可能对将来能量不耗散的电子的应用。 第一章多铁性材料 1.1什么是多铁性材料
在固体中，电场（E ）诱导出电极化强度（P ）并且磁场（H ）诱导出磁化强度（M ）。E 与H 的运动关系可以由麦克斯韦方程描述，这使得P 和M 之间有了非常重要的联系，那就是P 与M 的耦合是通过晶格间的电子来传递的；换句话来说，电子的自旋、轨道和电荷的自由度在固体中是相关连的。P-M 耦合，若存在于材料中的话可促使磁电效应，其可定义为同时控制磁与电；转变M 通过用E 与之相反P 的改变通过用H 。一个世纪以前通过对Cr 2O 3的研究,固体中的磁电效应在理论[1]推测上和实验[2]上被证实。这个现象被通过用一个线性交差响应磁电系数α来描述。例如从对称分析的观点有u uv v P E α=和u vu u M E α=。与最 近新观测的多铁性材料相比以前观测磁电效应非常小，虽然如此，关于多铁性样品的自旋微观起源的基本的组成已经被涉及在首次发现的磁电材料中。例如一个存在相互作用的自旋与一个极化的化学晶格或存在相互作用的非共线的自旋在轨道耦合相互作用下耦合。自此，巨磁电效应开始被广泛研究。特别是在用E 高效的控制方面是一个需求函数在最小的能量耗散的二代电子自旋领域，因为能量损失产生H 或者用高电流来控制磁畴可以克服用电场的缺点[3-5]。 图1 多铁性材料中通过电磁场使P-M 交叉控制 多铁性材料这个术语被杜撰出代表材料是因为其有两个或更多铁性有序，如目前的铁电性与铁磁性。在一般的条件下，我们叫那些同时拥有铁电有序和磁有序的材料为多铁性材料。用更直接了当的方式来增强磁电耦合已经超出上述的线性响应所以要把目标集中在多铁性材料上。在多铁性材料中同时存在的P 与M 有非常弱的与之相关的H 与E 响应，如图1所示，经由场的诱导畴壁的运动引 起了滞后。当M 与P 共同耦合就会更强叫巨磁电效应。也就是H 控制P 同时E 控制M 成为可能。M-P 共同耦合不仅仅在准静态磁电耦合中非常重要，在动态磁电耦合中也是如此，它的时间尺度的范围能从千兆赫兹到紫外光的频率。所以
钙钛矿类单相多铁材料的研究现状
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/7b12744795.html, 钙钛矿类单相多铁材料的研究现状 作者：杨雯陆海鹏 来源：《科技资讯》2018年第11期 摘要：钙钛矿结构因其存在多铁性质吸引了很多研究兴趣。主要介绍了几种重要的钙钛 矿结构的研究现状。Bi基钙钛矿体系存在很高的铁电极化强度；锰氧化物是一种典型的强关 联电子体系，体系可以在不同条件下发生各种相变；R2NiMnO6在室温下具有相当大的磁介电效应以及存在室温铁磁转变温度。同时提出了目前钙钛矿结构存在的问题。 关键词：多铁材料钙钛矿结构铁电性质铁磁性质 中图分类号：TQ174.75+6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（b）-0102-02 随着无线通信技术、信息存储技术、电磁干扰技术等领域的快速发展，人们对材料的选择提出了更高的要求。多铁材料是指当一种材料同时具有铁弹性、铁电性、铁磁性等其中两种或以上的基本性质。由于电磁耦合相互作用，多铁材料突破了Maxwell方程描述的电磁转换的限制，可以对铁电极化强度P、磁化强度M进行调控。这意味着，不仅可以通过施加外加电场E，外加磁场H也可以调控电荷有序使铁电自发极化重新定向分布甚至诱导铁电相变的产生。同样，也可以通过外加电（磁）场控制多铁材料体内的磁化方向甚至会诱导铁磁相变的产生。在通信、计算机以及微波器件等现代科技领域有着广泛和诱人的发展前景，可以应用于多存储态存储器、可调微波器件、自旋阀等。对于这一类材料的研究已经成为当前国际上理论物理学界的一个研究热点。 1 研究现状 多铁材料主要分为复合体系和单相体系，复合体系通过应力为中介实现铁磁性和铁电性耦合。单相磁电材料的铁磁性质和铁电性质同时形成一个单相体系中，但是目前很少发现性能优异的此类材料。钙钛矿结构是一种可能存在室温多铁性质的材料。1993年，Helmolt等人在 La2/3Ba1/3MnO3钙钛矿型铁磁薄膜中发现室温下可达60%的巨磁电阻效应。在 La2/3Ca1/3MnO3和Nd0.7Sr0.3MnO3样品中观察到的庞磁电阻比率分别大于105%和106%。由于钙钛矿氧化物独特的电磁性质，在巨磁阻、超导等方面有着良好的应用前景。同时，钙钛矿及其衍生物的结构、组成多样化，结构有很强的适应性，可用多种离子取代A位或B位离子，能够开发出许多自然界没有的铁电或压电材料。 1.1 Bi基钙钛矿体系 最常见的具有多铁性质的钙钛矿材料为Bi基钙钛矿体系BiFeO3，BiFeO3具有丰富的结 构和物相，拥有很大的自发铁电极化，其铁电和铁磁转变温度都高于室温（800℃以上）。所以，一直受着很多科学家的关注。2003年，J.Wang等在science上发表了BiFeO3外延薄膜的
多铁性材料BiFeO3的制备及其掺杂改性的研究(可编辑)
多铁性材料BiFeO3的制备及其掺杂改性的研究（可编辑）多铁性材料BiFeO3的制备及其掺杂改性的研究 单位代码: 10293密级: 硕士学位论文论文题目 : 多铁性材料 BiFeO 的制备及其掺杂 改性研究 3 1010030913 学号王希望姓名李兴鳌导师光学 学科专业光电子功能材料、性质和器件 研究方向理学硕士 申请学位类别 2013.02.26 论文提交日期I multiferroic properties of co-substituted BiFeO 3 nanoparticlesThesis Submitted to Nanjing University of Posts and Telecommunications for the Degree ofMaster of Master of Science By Xiwang Wang Supervisor: Prof. Xing’ao LiFebruary 2013II南京邮电大学学位论文 原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的
任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实,愿意承担一切相关的法律责任。 研究生签名:_____________ 日期:____________南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档;允许论文被查阅和借阅;可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索; 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。论文的公布(包括刊登)授权南京邮电大学研究生院办理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。 研究生签名:____________ 导师签名:____________ 日期:_____________III 摘要 BiFeO 是一种非常有应用前景的钙钛矿型多铁性功能材料,由于本身存在很多缺陷限制 3 了现实中的应用,其中最大的问题就是材料本身的多铁性能太弱, 距离应用的要求差距还很 大。如何提高 BiFeO 材料的多铁性能成为目前亟待解决的问题。本文期望通过掺杂方法以期 3 得到高性能的 BiFeO 材料。 3
层状类钙钛矿多铁性材料研究进展
第45卷第12期2017年12月 硅酸盐学报Vol. 45，No. 12 December，2017 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY https://www.360docs.net/doc/7b12744795.html, DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.2017.12.01 层状类钙钛矿多铁性材料研究进展 张大龙，陈志伟，黄伟川，李晓光 (中国科学技术大学物理系，合肥 230026) 摘要：多铁性材料的自旋、电荷、轨道、晶格等多重有序存在着复杂的相互作用，且对磁场、电场、光场、应变和温度等多种外界环境敏感，从而表现出一些新奇的物理现象，使其在存储器、传感器、微波等领域中有重要的应用价值。随着对单相多铁材料研究的深入，人们已从简单钙钛矿结构的多铁性研究转向复杂的层状类钙钛矿体系，其丰富而复杂的结构给人们提供了更广泛的设计和调控空间。介绍并分析了如Double-Perovskite(DP)、Ruddlesden-Popper(RP)、Aurivillius(AU)以及A n B n O3n+2系列等层状类钙钛矿多铁性特征的研究进展。人们已发现Bi2FeCrO6等DP体系、(1–x)(Ca y Sr1–y)1.15Tb1.85Fe2O7–x Ca3Ti2O7等RP体系、Bi4NdTi3Fe1–x Co x O15–Bi3NdTi2Fe1–x Co x O12–δ等AU体系以及La6(Ti0.67Fe0.33)6O20层状材料等，均具有室温或近室温多铁性。最后提出了当前面临的问题和对未来的展望。 关键词：多铁性；Double-Perovskite；Ruddlesden-Popper；Aurivillius 中图分类号：TQ174.1+3 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2017)12–1707–14 网络出版时间：2017–11–01 14:32:30 网络出版地址：https://www.360docs.net/doc/7b12744795.html,/kcms/detail/11.2310.TQ.20171101.1432.001.html Development of Multiferroic Layered-Perovskite-like Oxides ZHANG Dalong, CHEN Zhiwei, HUANG Weichuan, LI Xiaoguang (Department of Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China) Abstract: Single phase multiferroic materials with the coexistence of spin, charge, orbit, and lattice orderings have some physical phenomena, which are sensitive to several external stimulations like magnetic field, electric field, optical field, strain and temperature. These materials can be thus used in the field of storage, sensors, microwave, etc. For room-temperature multiferroics, people pay attention to more complex systems, such as layered-perovskite-like systems, which may provide broader space for designing and controlling new multifunctional materials and devices. This review represented recent development on the multiferroic properties of Double-Perovskite (DP), Ruddlesden-Popper(RP), Aurivillius(AU) and A n B n O3n+2 series compounds, respectively. All these layered systems, such as DP phases Bi2FeCrO6, RP phases (1–x)(Ca y Sr1–y)1.15Tb1.85Fe2O7–x Ca3Ti2O7, AU phases Bi4NdTi3Fe1–x Co x O15–Bi3NdTi2Fe1–x Co x O12–δ and La6(Ti0.67Fe0.33)6O20, show the coexistence of ferroelectricity and ferromagnetism above or near room temperature. Finally, we put forward the current issues we are facing and the outlooks of the future. Keywords: multiferroic properties; Double-Perovskite; Ruddlesden-Popper; Aurivillius 多铁性材料是指兼具铁电、铁磁、铁弹或者铁涡等初级铁序中的2种及以上的材料体系，有丰富的物理性质和巨大的应用潜力，引起国际上的广泛关注。驱动多铁性研究的动力有2方面：从基础研究的角度，多铁材料集成了自旋、电荷、轨道、晶格等多重有序结构，对磁场、电场、光场、应力和温度等多种外界环境响应明显，这种复杂的、交叉的研究对象正是固体物理发展到凝聚态物理的产物之一[1–2]；从应用的角度，多铁材料能实现多重物理量之间的交叉调控，将为现代电子学在后摩尔时代的发展提供材料基础[3–5]。 单相多铁性材料主要分为第I类和第II类多铁 收稿日期：2017–06–19。修订日期：2017–07–07。 基金项目：国家自然科学基金(51332007、21521001、51622209)；国家重点研发计划(2016YFA0300103、2015CB921201)资助。 第一作者：张大龙(1988—)，男，博士。 通信作者：李晓光(1961—)，男，博士，教授。Received date:2017–06–19. Revised date: 2017–07–07. First author: ZHANG Dalong (1988–), male, Ph.D. E-mail: zdl37@https://www.360docs.net/doc/7b12744795.html, Correspondent author: LI Xiaoguang (1961–), male, Ph.D., Professor. E–mail: lixg@https://www.360docs.net/doc/7b12744795.html,
单相多铁材料中的电子自旋
单相多铁材料中的电子自旋简介 摘要：多铁性材料是指同时具有两种或者两种以上铁性序参量的物质。多铁性材料中出色的磁电耦合效应，使其在自旋电子器件和多态存储等方面有着广阔的应用前景。本文简单介绍多铁材料的定义与分类以及传统钙钛矿多铁材料中的电子自旋构型，重点阐述具有螺旋自旋序的磁致多铁材料。 关键词：多铁材料铁磁性螺旋序电子自旋 引言 1959年Dzyaloshinskii推断Cr2O3材料中存在磁电效应，随后不久便被Astrov 用实验所证实。自此人们发现了第一个磁电耦合材料，多铁的概念开始出现，并开始了对所谓多铁材料的研究。但是迄今为止发现的单相多铁性材料仍比较稀少，这主要是由于多铁性的产生会受到诸多因素的限制。即使是现已被发现的单相多铁材料，其磁电耦合效应相较于实际应用来说也并不理想。近些年来，人们发现一些材料铁电极化直接来源于特殊磁序，即螺旋自旋序结构的多铁材料。这些材料显示出了良好的磁电耦合特性，因此得到了人们的广泛关注。 单相多铁材料的定义与分类 单相多铁材料是指同时具有两种或者两种以上铁性序参量的单相材料，即同时具有铁磁性与铁电性，或者铁磁性、铁弹性、铁电性共存。如果晶体在一定温度范围内具有自发极化强度（无外加电场存在时的极化强度），并且自发极化强度的方向可以随外加电场的变化而变化，这类晶体我们称为铁电体，它所具有的这种性质我们称为铁电性。在铁电居里温度以上，铁电体不发生自发极化，在居里温度以上显示顺电性（类似顺磁性）；在铁电居里温度以下，铁电体发生自发极化，晶格结构发生畸变，表现出铁电性。铁电有序要求空间反演对称性破缺。而铁磁性与铁电性非常类似但也有很大的不同。如果晶体在一定范围内具有自发磁化强度（无外加磁场作用情况下），并且自发磁化矢量可以随外加磁场的变化而变化，这类晶体我们称为铁磁体，同样它所具有的这种性质我们称为铁磁性。 多铁材料按照其铁电性与磁性的起源可以分成两大类，即第一类多铁性材料与第二类多铁性。第一类多铁性材料中，铁电性与铁磁性通常来源于不同的离子，典型的代表有BiFeO3、BiMnO3，由于磁性与铁电性的起源不同，所以这类材料中的磁电耦合并不强。第二类多铁性材料中，铁电性与磁性的来源一致，在这类材料多，铁电极化往往源于磁性离子特殊的磁结构导致的对称性的破缺，所以第二类多铁材料的磁电耦合效应很强，典型的物质哟TbMnO3和Ca3CoMnO6. 传统钙钛矿多铁材料中的电子自旋构型 传统钙钛矿结构多铁材料属于第一类多铁材料，它的铁电性与铁磁性来自于不同金属离子。从经验角度来看，几乎所有的ABO3钙钛矿铁电氧化物中B位离子都是过渡金属离子并且它的d轨道电子都是空的（即具有d0构型的离子），如Ti4+,Ta5+,W6+等。由此人们推断铁电体必须要有具d0轨道构型的过渡金属离子。然而磁性氧化物需要具有d轨道未填满的过渡金属离子，如Cr3+,Mn3+,Fe3+等。事实上也确实是这样，对于铁电氧化物来说，B位离子d0轨道的构型易于d轨道和O的2p轨道之间的杂化，降低体系能量，从而引起晶体晶格的畸变。而对于铁磁氧化物来说，如果d轨道电子填满状态下，电子上旋和下旋全部抵消，没
单相多铁性体CaMn7O12的研究进展-
文章编号:１００１-９７３１(２０１５)２０-２０００１-０６ 单相多铁性体CaMn７O１２的研究进展? 牛之慧,代建清,张一虎,宋玉敏 (昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明６５００９３) 摘一要:一CaMn７O１２作为一种新的铁电性与磁性具有强耦合的单相多铁性材料受到了越来越多的关注,原因就是其特殊的铁电物理机制,即它的铁电性是由本身长周期螺旋桨型自旋(p ro p er-screw)磁序引起的.由于这种特殊的磁序,导致了它具有非常好的磁电效应,沿着c轴方向大的极化强度(P c＝２８７０μC/m２)以及较高的奈尔温度(T N１＝９０K).综述了CaMn７O１２的晶体结构二特殊磁序的形成原因二铁电性与磁性耦合效应以及磁致多铁性的物理机制. 关键词:一CaMn７O１２;晶格结构;磁结构;铁电起源中图分类号:一O４８２．４;O４８２．５文献标识码:A DOI:１０．３９６９/j．issn．１００１-９７３１．２０１５．２０．００１ １一引一言 单相多铁性材料是指同时表现出铁电性和磁性的单相化合物[１-２].从铁电性的起源来看可分为两类[３-４]:(１)铁电性和磁性有不同的起源,如BiFeO３[５],这类材料往往表现出较高的铁电临界温度和较大的极化强度,但缺点是铁电性与磁性耦合较弱,不利于实际应用;(２)铁电性是由特定磁有序引起的.这种情况下铁电性与磁性耦合较强,但铁电临界温度和自发极化强度相对于前者较低.由于第二类多铁性材料本身特殊的磁致铁电物理机制,因此其本征的磁电耦合效应较强,所以这类材料的铁电物理机制在研究中具有越来越重要的地位[２,６-７]. 目前来看,在第二类多铁性材料中根据其引起铁电性的磁序结构的不同,可分为以下２种[３]:(１)以TbMnO３和D y MnO３为代表的非共线摆线螺旋(c y-cloidal-s p in)磁有序导致的铁电极化.自２００３年以来,研究人员分别从实验和理论计算的角度对Tb-MnO３进行了研究[６-１７].发现在该材料中存在极化各向异性[９],即当外加磁场时原来沿着晶格结构c轴(２８K以下)的自发铁电极化强度完全转到a方向.在ab面内纯电子和离子位移对极化强度的贡献大体相同,而在bc面内主要是离子位移对极化强度有贡献.温度在２８K以下时Mn的磁序为bc面内的摆线螺旋结构[１７],这种非共线摆线磁序导致的铁电极化虽然机制新颖,但是由于这种机制基于自旋轨道耦合(SOC)效应,而锰离子中３d电子的自旋轨道耦合效应不强,所以引起的铁电极化强度较弱;(２)以YMnO３和Ho-MnO３为代表的＋＋－－型共线E型反铁磁(E-AFM)磁有序引起的铁电极化[１８-２２].在HoMnO３中自旋是共线的(近邻自旋平行或反平行),其对应的磁电物理机制是交换收缩[４].从对称性角度分析,＋＋－－型磁结构破坏了宇称对称性,再结合晶格二电荷分布的周期性,这种磁序就有可能导致铁电极化.总之,虽然上述两种铁电物理机制具有强的磁电(ME)耦合效应,但是相对于传统铁电体来说(P＝１０００００~１００００００μC/m２)[４],其自发极化强度还是较弱.例如,非线性磁序导致的多铁性材料D y MnO３和TbM-nO３的极化强度大约在１０００~３０００μC/m２之间[２３], E型反铁磁体(E-AFM Man g anites)RMnO３(R＝Ho, Y,Tm)的铁电极化强度值为１００００μC/m２数量级[２０-２１].在磁致多铁性材料中,最近邻以及次近邻磁性离子之间的磁交换作用的竞争导致了那些可以破坏空间反演对称性的磁序.但另一方面,由这种竞争引起的磁失措(ma g netic frustration)降低了磁有序的温度,因此上述磁致多铁性材料的临界温度一般都很低,例如,正交晶系REMnO３(RE＝Tb,D y,Eu１－x Y x, Ho,Y等)的铁电临界温度T C都在３５K以下[２０]. 虽然上述两种磁致铁电物理机制引起的自发极化强度比传统的铁电体小,但是相对于铁电性与磁性分别有不同起源的单相多铁性体来说其磁电耦合较强,所以这类材料的发现仍然是磁致多铁极化的一大进步.２０１１年以来,人们又发现了一种新的磁致铁电物理机制,即以CaMn７O１２为代表的螺旋桨型磁序[４,７,２３-２７](p ro p er screw),它作为一种新型的强关联四重钙钛矿磁致单相多铁性体具有更优良的物理性能[４]. ２一研究进展 CaMn７O１２具有比较复杂的晶体结构和良好的物理性能,下面从４个方面加以介绍.(１)晶体结构; (２)磁结构以及自发极化强度;(３)CaMn７O１２中特殊磁序的成因;(４)磁致铁电物理机制. １０００２ 牛之慧等:单相多铁性体CaMn７O１２的研究进展 ?基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１４６２０１９) 收到初稿日期:２０１４-１１-１３收到修改稿日期:２０１５-０５-１７通讯作者:代建清,E-mail:d j q kust＠sina．com 作者简介:牛之慧一(１９８９－),女,山东泰安人,在读硕士,师承代建清教授,从事CaMn７O１２的第一性原理研究.
铁磁性材料
铁磁性材料 铁磁性物质属强磁性材料， 它在电工设备和科学研究中的 应用非常广泛，按它们的化学成 分和性能的不同，可以分为金属 磁性材料和非金属磁性材料（铁 氧体）两大族。 1 金属磁性材料 金属磁性材料是指由金属合 金或化合物制成的磁性材料，绝 大部分是以铁、镍或钴为基础，再加入其他元素经过高温熔炼、机械加工热处理而制成，这种磁性材料在高温、低频、大功率等条件下，有广泛的应用，但在高频范围，它的应用则受到限制。金属磁性材料还可分为硬磁、软磁和压磁材料等，实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状有很大差异，图示给出了三种不同铁磁材料的磁滞回线，其中，软磁性材料的面积最小；硬磁材料的矫顽力较大，剩磁也较大；而铁氧体材料的磁滞回线则近似于矩形，故亦称矩磁材料。 软磁材料的特点是相对磁导率r 和饱和磁感强度max B 一般都比较大，但矫顽力c H 比硬磁质小得多 ，磁滞回线所包围的面积很小，磁滞特性不显著如图(a)，软磁材料在磁场中很容易被磁化，而由于它的矫顽力很小，所以也容易去磁，因此，软磁材料是很适宜于制造电磁铁、变压器、交流电动机、交流发电机等电器中的铁心的另一个原因。 硬磁材料又称永磁材料，它的特点是剩磁r B 和矫顽力c H 都比较大，磁滞回线所包围的面积也就大， 磁滞特性非常显著如图(b)，所以把硬磁材料放在外磁场中充磁后，仍能保留较强的磁性，并且这种剩余磁性不易被消除，因此硬磁材料适宜于制造永磁体。在各种电表及其他一些电器设备中，常用永磁铁来获得稳定的磁场。1998年6月3日，由美国“发现者号”航天飞机携带的、美籍华裔物理学家丁肇中教授组织领导的阿尔法磁谱仪上所用的永磁体，就是由中国科学院电工研究所等单位研制的稀土材料钕铁硼永磁体，其磁感强度高达0. 14T ，该永磁体的直径为1. 2m ，高0. 8m ，而阿尔法磁谱仪是用来探测宇宙中反物质和暗物质的，这是人类第一次将大型永磁铁送入宇宙空间，对宇宙中的带电粒子进行直接观测，它极有可能给人类开拓一个全新的科学领域而带来一次新的科学突破。 压磁材料具有强的磁致伸缩性能，所谓磁致伸缩是指铁磁性物体的形状和体积在磁场变化时也会发生变化，特别是改变物体在磁场方向上的长度。当交变磁场作用在铁磁性物体上时，它随着磁场的增强，可以伸长，或者缩短，如钴钢是伸长，而镍则缩短，不过长度的变化是十分微小的，约为其原长的1/100000，磁致伸缩在技术上有重要的应用，如作为机电换能器用于钻孔、清洗，也可作为声电换能器用于探测海洋深度、鱼群等。 2 非金属磁性材料——铁氧体 铁氧体，又叫铁淦氧，是一族化合物的总称，它由三氧化二铁（Fe 2O 3）和其他二价的金属氧化物（如
磁致多铁性物理与新材料设计
磁致多铁性物理与新材料设计 董帅1，向红军2 基金项目：国家自然科学基金（51322206，11274060，11104038），国家重大科学研究计划（2011CB922101, 2012CB921400）,教育部百篇优秀博士论文基金，上海市东方学者项目支持。高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20100092120032)。 作者简介：董帅（1982-），男，教授，主要研究关联电子物理与材料，包括多铁性氧化物、磁电耦合效应与器件；关联电子异质结、场效应器件. E-mail: sdong@https://www.360docs.net/doc/7b12744795.html, （1. 东南大学物理系，南京，211189； 2. 复旦大学物理系，物质计算科学教育部重点实验室，应用表面物理国家重点实验室，上 5 海, 200433） 摘要：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。随着研究者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10 致多铁材料被设计、预言、发现，其性能也在不断地提高中。本文将简要介绍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，回顾一下近些年寻找和设计新的磁致多铁材料的经验。 关键词：磁致多铁；Dzyaloshinskii-Moriya 作用；交换收缩；磁序诱导铁电性统一极化模型；第一性原理计算 15 中图分类号：O469 Physics and Design of Magnetic Multiferroics Shuai Dong 1, Hongjun Xiang 2 (1. Department of Physics, Southeast University, Nanjing 211189, China; 20 2. Department of Physics and Key Laboratory of Computational Physical Sciences (Ministry of Education), Fudan University, Shanghai 200433, China) Abstract: Magnetic multiferroics belong to an important branch of the multiferroics big family. Because the ferroelectric polarizations are directly induced by particular magnetic orders, magnetic multiferroics owns intrinsic strong magnetoelectric couplings. Current research interests 25 on magnetic multiferroics are mostly focused on their fundamental physics. Benefited from the research progress of physical mechanisms, more and more new magnetic multiferroic materials have been designed, predicted, and discovered, which push forward the magnetoelectric performances. In this colloquium, we will briefly introduce the physical mechanisms involved in magnetic multiferroics, as well as the experience to design and search for new magnetic 30 multiferroics. Key words: magnetic multiferroics; Dzyaloshinskii-Moriya interaction; exchange striction; Unified model of ferroelectricity induced by spin order; first-principles calculation 0 引言 35 从2003年BiFeO 3薄膜[1]和TbMnO 3单晶[2]揭开序幕开始，多铁性材料和物理的研究进 入了蓬勃发展时期，跻身成为关联电子大家庭中又一重要分支。但有别于其它著名分支，如高温超导是铜基、铁基化合物，庞磁电阻是锰基氧化物，多铁性材料覆盖范围非常广泛，无论是涉及的过渡金属离子（Ti 、V 、Cr 、Mn 、Fe 、Co 、Ni 、Cu 化合物都有多铁性材料），抑或涉及的晶格结构（钙钛矿结构、尖晶石结构、烧绿石结构等等），乃至丰富现象背后的 40 物理机制，都非常纷繁复杂，这既反映了关联电子体系的复杂性，又体现了物理规律的普适性[3,4,5,6,7]。