单相多铁性及磁电复合材料的制备与研究
我国多铁性材料及原型研究取得新进展
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我国多铁性材料及原型研究取得新进展
作者：Mary
来源：《今日电子》2013年第06期
多铁性材料同时具有铁电、（反）铁磁等多种铁性有序，由于其独特的磁电耦合效应，在新型磁电传感、高性能信息存储等领域有广泛的应用前景。
近日，中国科大李晓光教授研究组成员董思宁博士后研究员、殷月伟助理研究员在相关领域取得了重要进展。
在多铁性新材料探索方面，董思宁博士与中国科学院物理所李建奇研究员研究组合作，设计并合成出一种具有室温多铁性的Bi4.2K0.8Fe2O9+6单晶纳米带新材料，该材料同构于高温超导体材料Bi2Sr2CaCu2O8+6，具有不同于过去已知多铁性材料的结构特点。
该晶体在c轴方向上由结构上类似铁酸铋的钙钛矿层和绝缘性好的盐岩层交替排列而成，所以具有天然的磁电介电超品格结构，并在室温下表现出显著的磁电耦合效应。
这种新型结构的多铁性纳米材料可能有助于构建微型磁电器件。
在多铁性原型器件研发方面，殷月伟博士取得了突破性进展。
与美国宾州州立大学的李奇教授研究组、纳布拉斯卡大学的E.Y.Tsymbal教授研究组等合作，设计并制备了基于多铁性界面磁电耦合的La0.7SF0.3MnO3/La0.5Ca0.5MnO3/BaTiO3/La0.7Sr0.3MnO3隧道结，通过改变BaTiO3
势垒层的铁电极化方向，可以调控处于铁磁金属反铁磁绝缘相界处的La0.5Ca0.5MnO3的空穴浓度，使其发生金属绝缘体转变，从而显著调控铁电隧道结的隧穿参数，使得隧穿磁电阻效应提高近两个数量级。
同时，该器件由于铁磁、铁电的共存而表现出四重阻态特征，能够极大地提高非易失的存储密度。
此工作可能有助于非硅基电子器件性能的增强和改善。
多铁简述
并预言了在LN型的结构多铁材料中，外加电场引起的极化反转会诱使磁化发生180的反转
将过渡金属掺杂到铁电材料中，将有可能实现铁电体中的磁性。
单相多铁材料在自选电子器件等方面的应用，吸引了大量的研究，但是当前能达到室温以上的单相多铁材料只有BiFeO3，该材料制备工艺要求苛刻，容易形成第二相或者漏and B G， Lynn J W， Laver M， et al. Origin of electric -field -induced magnetization in multiferroic HoMnO3［J］. Phys Rev Lett， 2010， 104（14）：147204.
Aimi等在高温高压的环境中用固相合成的方法制备了LiNbO3型的MnMO3(M=Ti,Sn)。发现这两种化合物室温下均具有LiNbO3型的结构，并且在对MnTiO3和MnSnO3分别在25K和50K观察到了弱的铁磁性，这种铁磁性是由于反铁磁交互作用产生的。在这两种化合物的铁磁转变温度处有反常的介电常数。并研究了磁电性能之间的相互关系，结果显示具有磁性阳离子的LiNbO3型化合物可作为多铁材料的候选材料。
铁磁材料的研究与应用
铁磁材料的研究与应用铁磁材料是指具有铁磁性质的材料，是目前材料物理学和材料科学的研究热点之一。
铁磁材料具有磁饱和强度高、磁导率大、磁滞回线窄、磁耦合系数大、良好的磁导性和电导性等特点，广泛应用于磁头、磁盘、电机、变压器和磁耦合器等领域。
一、铁磁材料的基本特性铁磁材料的基本特性是通过材料的物化特性来描述的。
首先，铁磁材料的饱和磁场强度高，即当外加磁场强度增大到一定程度时，材料的磁化强度将达到磁饱和，此时材料将不能再被磁化。
其次，铁磁材料的磁滞回线窄，即当外加磁场强度加大或减小时，磁性材料的磁化强度也将随之增大或减小，并呈现出一定的滞后性，这种滞后效应所对应的曲线就称为磁滞回线。
铁磁材料的磁滞回线窄，意味着材料具有更为稳定的磁性能。
除此之外，铁磁材料的磁导率大，即材料在外加磁场的作用下，所呈现出的磁场强度与磁化强度之间的比值大，这种比值所决定的参数就是材料的磁导率。
铁磁材料的磁导率大，可以更好地应用于电感器、磁头、磁盘等领域。
二、铁磁材料的制备技术铁磁材料的制备技术是关系到铁磁材料性质和应用的一个重要方面。
目前工业上生产的铁磁材料主要是硅钢板和铁氧体材料。
硅钢板是利用钢材的磁带轧制工艺和热处理工艺制备而成的，它的主要成分是铁、硅、碳和少量杂质，因为硅元素的加入使得铁磁材料的磁导率大大提高，同时由于在制备过程中对硅钢板的表面进行绝缘处理能够降低铁磁材料的涡流损耗。
而铁氧体则是材料科学研究中相对较新的制备技术，其通过利用磁性离子、氧元素和非磁性离子间的相互作用所形成的具有良好铁磁性能的复合材料，铁氧体材料的制备工艺因为要求材料形貌规整、纯度高、结晶致密，所以需要较高的生产技术和生产工艺设备。
三、铁磁材料的应用现状与展望铁磁材料目前应用领域十分广泛，主要涉及到电磁、电力、电子、计算机、通信、医疗等领域。
电磁领域中，铁磁材料主要应用于制作电动机、磁耦合器、变压器、发电机、电子继电器等电力设备，这些设备的重要部件均选用了具有铁磁性能的材料，用以提高设备的工作效率和稳定性。
多铁性材料及磁性液体简介-(1)
1.3 多铁性材料的磁电耦合效应
多铁性材料不仅同时具有磁有序和铁电有序，其共存的磁有序和铁电 有序之间还可能存在相互作用从而产生磁电耦合效应，即电极化翻转（或电场） 可以带来磁有序的变化，或者反过来磁有序的变化（或磁场）可以引起 电极化的改变 多铁性材料内部同时存在自发极化和自发磁化，两种有序度之间存在交 换耦合作用，根据 Landau 理论，其体系的自由能可展开如下:
多铁性材料及磁性液体介绍
髙榮禮
磁学国家重点实验室M03组
中国科学院物理研究所， 北京，100190
2012年12月27日
主要内容
1、多铁性材料 1.1 多铁性材料的概念 1.2 多铁性材料的铁性材料的分类
1.5 BiFeO3（BFO）单相多铁性材料
多铁性材料的分类：
多铁材料可以简单地分为两大类，一类是单相材料，另一类是复合体系。
单相材料中近年来研究较热的材料，主要有如下几类：
（1）Bi 系钙钛矿结构多铁材料，如BiMnO3，BiFeO3 等。它们都具 有钙钛矿的 ABO3 结构，其铁电性来源于 A 位 Bi 离子的6s2孤对电子 与O2-的2 p 电子之间的轨道杂化，这一点与PbTiO3 的铁电性来源有 些类似， 因此它们同PbTiO3 一样都具有较大的饱和电极化强度。该类材料中 的 BFO 具有 ABO3 的钙钛矿结构，是一种典型的单相多铁性材料。 相比于其它的单相多铁性材料，BFO 的铁电相变温度 (TC = 830 °C) 和反铁磁相变温度 (TN = 370 °C) [38, 39]，都在室温以上，在室温 下具有大的电极化和 G 型反铁磁性（或弱铁磁性）
2、磁性液体
2.1 磁性液体的概念 2.2 磁性液体的性质，用途及合成 2.3 二元磁性液体介绍
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室温磁电材料的制备与性能
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备方法及其性能 ， 特别是外延 生长 、 次烧 结和无机／ 二 有机 复合 技术分 别对单相 铁磁 电薄膜 、 粒弥散 型 以及层 状铁 颗
磁 电复 合 材 料 结 构 与性 能 的 影 响 。 结果 表 明 ， 过诱 导 晶格 变 形 、 通 消除 体 系杂 相 ， 获 得 具 有 强 室 温磁 电性 能 的 单 相 能
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磁电效应及磁致伸缩铁电复合磁电材料
1.磁电效应（Mgnetoelectricity）的概念 ？
磁电效应又称磁场感生电矩效应，或电场感 生磁矩效应．是指在一些铁磁体中，外电场可 以通过改变电子自旋而使系统的磁性性质发生 变化，而外磁场也可以改变系统的电性质．
潜在应用 measurements
1959
1960 1961
PierreCurie Debye Compton Uhlenbeck
Wigner Landau Landau Lifshitz
Landau Lifshitz
Astrov
Folen， Rado,Stalder
预言了材料中磁电效应 提出了“磁电效应”的概念 提出电子量子自旋运动的观点 提出电子既有自旋又有磁动量的观点 引入反对称操作R 发展了他的磁相变理论 理论上证明对某些晶体，压磁和线性磁电效 应应该存在 理论上证明反铁磁体Cr2O3存在线性ME效应
2.磁点阵（magnetic lattice)
它是晶体中由属性相同，磁矩相同的质点组成的点阵，一般说来，
它分为7个晶系，36种Bravais点阵，90种点群，1421种空间群
3.尼尔温度TN（ Neel temperature)
它为反铁磁相变点，在尼尔温度TN以下,反铁磁物质呈现畴结构，在每个
畴内磁矩为反铁磁序排列，无自发磁化，在TN以上为顺磁态。磁化率同
P = P0+ χeE+α΄H M=M0 + χm H+α E P0和M0分别是自发极化强度和自发磁化强度 5.磁致伸缩效应(magnetostrictive effect)
磁性材料在磁化时，所引起的弹性形变，叫做磁致伸缩。线伸缩一般为10-6 到10-5的数量级，体伸缩一般为10-10的量级，所以常忽略。
铁电／铁磁复合材料的制备及研究进展
如果 把具 有铁 电性 的材料 与铁 磁性 的材 料进 行复合 ， 可 ｉ保 证 材料对 外 同时呈 现 出铁 电性 和铁磁性 ． 就 三 ｌ
这类 复合 材料 除 了具 有单 一材 料 的各种 性能外 ， 由于 电极化 和磁化 之 间 的耦 合作 用 ， 会 出现新 的性 能—— 还
ｆｒ ｅ ｃｒ ｎ ｅｒｍ ｇ ｅｉ ｐｏ ｅｔ ｓｂ ｔ ｌ ｇ ｅｏｌ ｔ ｃｃｕ ｌ ｇｅｆｃ（ ｅｒ ｌ ｔ ｃａ ｄｆｒｏ ａ ｎ ｔ ｒｐ ｒ ｅ ｕ ｓ ｍａ ｎ ｔｅ ｃｒ ｏ ｐｉ ｆ ｔＭＥ） Ｏｔａ ａ ｅｙｂｏｄ ｏｅ ｉ ｃ ｉ ａｏ ｅ ｉ ｎ ｅ Ｓ ｔｔ ｓ ｒ ｒａ ｈ ｉｈ ｖ
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单相多铁性及磁电复合材料的制备与研究
单相多铁性及磁电复合材料的制备与研究
引言：
随着科学技术的进步和材料学的发展，单相多铁性材料及磁电复合材料成为研究的热点。
单相多铁性材料具备多种功能，如同时具有铁磁、铁电和多铁性等特性，具有广泛的应用前景。
而磁电复合材料能够将磁性和电性完美结合，具有重要的理论研究价值和实际应用价值。
本文将介绍单相多铁性及磁电复合材料的制备方法和研究进展。
第一部分：单相多铁性材料
1. 单相多铁性材料的概念和特点
单相多铁性材料是指在同一相中同时存在铁磁性和铁电性的材料。
它具有多种功能，如由于磁场的改变而产生的电极化效应（磁电耦合效应）、由于外加电场的改变而引起的磁化效应（电磁耦合效应）等特性。
单相多铁性材料在信息存储、传感器、磁电器件等领域具有广泛的应用前景。
2. 单相多铁性材料的制备方法
目前，用于制备单相多铁性材料的方法主要有化学法、物理法和化学物理复合法。
其中，化学法主要包括溶胶-凝胶法、水热法和燃烧法等；物理法主要包括分子束外延、磁控溅射和离子束辐照等；化学物理复合法主要包括溶胶燃烧法和机械合金化法等。
这些方法各有特点，可以根据需要选择合适的方法进行制备。
3. 单相多铁性材料的研究进展
单相多铁性材料的研究进展主要集中在以下几个方面：
（1）材料的合成及表征：研究人员通过优化制备方法，成功
合成了多种单相多铁性材料，并对其进行了表征。
例如，采用溶胶-凝胶法制备的铁磁性和铁电性同时具备的材料具有良好
的结晶性和稳定性。
（2）多铁性机制研究：通过理论计算和实验研究，揭示单相
多铁性材料的多铁性机制。
例如，通过第一性原理计算发现，多铁性材料的多铁性机制与晶格畸变和电子结构密切相关。
（3）功能调控与应用：通过调控材料的组分、结构和纳米尺
度的界面效应等手段，实现单相多铁性材料的功能调控。
例如，研究人员通过控制磁场和电场的作用，实现了对多铁性材料的多功能调控。
第二部分：磁电复合材料
1. 磁电复合材料的概念和特点
磁电复合材料是指由磁性材料和电性材料组成的复合材料。
它既具有磁性材料的磁特性，又具有电性材料的电特性，能够将磁性和电性完美结合，产生磁-电效应。
磁电复合材料在传感器、能量转换、数据存储等领域具有广泛的应用前景。
2. 磁电复合材料的制备方法
目前，用于制备磁电复合材料的方法主要有固相法、液相法和气相法等。
其中，固相法主要包括浸渍法、烧结法和热压法等；液相法主要包括溶胶-凝胶法和水热法等；气相法主要包括化
学气相沉积法和磁控溅射法等。
这些方法各有特点，可以根据需要选择合适的方法进行制备。
3. 磁电复合材料的研究进展
磁电复合材料的研究进展主要集中在以下几个方面：
（1）材料的合成及表征：研究人员通过优化制备方法，成功
合成了多种磁电复合材料，并对其进行了表征。
例如，采用溶胶-凝胶法制备的磁电复合材料具有优良的磁电性能和稳定性。
（2）磁电耦合机制研究：通过理论计算和实验研究，揭示了磁电复合材料的磁电耦合机制。
例如，通过研究发现，磁电效应与磁场和电场的大小及方向密切相关。
（3）应用研究：研究人员通过调控材料的结构和成分，实现了对磁电复合材料的功能调控，并在能量转换、数据存储等领域展示了其潜在的应用价值。
结论：
单相多铁性材料及磁电复合材料的制备和研究是当前材料科学研究的热点，具有重要的理论研究价值和实际应用价值。
通过优化制备方法、深入研究材料的多铁性机制和磁电耦合机制，以及实现对材料功能的调控，能够促进单相多铁性材料及磁电复合材料的发展，并推动其在信息存储、传感器、能量转换等领域的应用
综上所述，单相多铁性材料及磁电复合材料的制备和研究在材料科学领域具有重要的理论研究价值和实际应用价值。
通过不同的制备方法，如热压法、溶胶-凝胶法和水热法等，可以合成出具有优良磁电性能和稳定性的磁电复合材料。
在磁电耦合机制的研究方面，通过理论计算和实验研究，揭示了磁电复合材料的磁电耦合机制，为其应用提供了理论基础。
此外，调控材料的结构和成分，实现对磁电复合材料功能的调控，可以拓展其在能量转换、数据存储等领域的应用价值。
因此，进一步研究和发展单相多铁性材料及磁电复合材料，有望在科学研究和实际应用中发挥重要作用。