多铁性材料BiFeO3的研究

contents
• 1、磁电效应与多铁材料 • 2 、脉冲激光沉积技术（PLD） • 3 、BiFeO3 (BFO)薄膜多铁性
磁电效应
• 与传统意义上的麦克斯韦方程组所表示的电磁耦合不同，磁 电效应所涉及的电磁耦合指的是表征介质磁学性质和介电性 质的序参量，即磁化强度（M）和电极化强度（p）之间存 在的耦合性质；基于此，外加电场若能改变介质的磁学性质 或者外加磁场能改变介质的电极化性质，称为磁电效应 (magnetoelectric effect). • 正磁电效应 P=AH • 逆磁电效应 M=AE
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• 不同结构多铁性材料产生多铁性的具体机 理不同
薄膜BiFeO3的单斜畸变
• 发现薄膜由于 和基底之间的 晶格失配应力 而发生单斜畸 变。
薄膜BiFeO3的强自发极化
• 有比体材料大接 近一个数量级的 室温自发极化
由计算分析实验结果
• 进行了第一性原 理计算 ,计算结 果和实验结果能 很好地吻合 ,说 明自发极化的增 强起源于极化对 晶格参数微小改 变的高敏感度。
外延 BiFeO3 (BFO) 薄膜制备与多铁性表征
参考文献：
• [1] Wang J. Neaton J B，Zheng H et al. Science， 2003， 299： 1719 • [2]迟振华 , 靳常青. 物理学进展 , 2007 , 27 : 225 • [3]王克锋, 刘俊明, 王雨 .科学通报, 2008 ,53(10): 1098 -1135 • [4]刘俊明,南策文.物理,2014,43(2):88-98
脉冲激光沉积技术（PLD）:
脉冲激光沉积法
是一种真空物理沉积工艺，是将高功率脉冲激光聚焦于靶材表面，使 其产生高温及烧蚀，而产生高温高压等离子体，等离子体定向局域膨胀 发射并在衬底上沉积形成薄膜。
多铁性材料
• 至少拥有铁电(ferroelectricity)、铁磁(ferromagnetism) 或反铁磁(anti-ferromanetism） 、铁弹性(ferroelasticity) 等铁性中的两种性质的材料
磁电效应起源
• 磁电效应的产生源于电子同时是电荷和自旋的载体。即外场 能够以静电力、静磁力和洛伦兹力的形式改变电子的物理状 态。而电子的自旋状态对物质的磁性有决定作用，电子的运 动状态则直接和间接地决定了物质的介电性质。 • 两种方向 a电子自旋状态改变自旋轨道耦合作用等电离子实构成晶格畸变伸缩铁电性产生 b带电离子实发生位移 -磁性离子间磁相互作用 -材料磁性变化
• 奈尔温度 • 磁滞回线：自发磁矩
多铁性起源
• A 经验： 几乎所有钙钛矿型铁电氧化物中的B位离子都是具有空d 轨道的过渡金属离子，而磁性氧化物需要d轨道未完全填 满的过渡金属离子，否则电子自旋相互抵消，磁性消失。
• B 理论：
晶体结构畸变，氧八面体中心原子偏离，形成铁电相，其 起源是B位离子空d轨道同其周围一个阴离子形成较强共 价键，以致偏移。这与磁性对于d轨道的需求不符。
铁磁性
• 表现出增强的 磁性
总结
BFO简介
• BiFeO3 是研究的最多的具有钙钛矿型结构的单相多铁性 材料。BiFeO3 在居里温度Tc ～ 830℃之间有铁电性，在 Tn ～ 370℃之间有反铁磁性。 • BiFeO3 的晶胞通常是不理想的立方点阵对称群，块体的 BiFeO3 属于R3C 点群, 为扭曲的三方钙钛矿结构。
BFO简介
• 晶格常数不同的报道有同的数据，S.V 等测得的结果为 a=b=c=3.96A[16]， 而Fiebig 等测得的结果则为 a=b=c=5.63A，α=β=γ=59.4A， 三方钙钛矿结构由立方结构 沿（111）方向拉伸而成, 沿此方向Bi3+ 相对Fe-O 八面体位 移, 使晶体结构不均匀，自旋沿（110）面排列成螺旋结构, 周期约为600A。由于螺旋磁结构使得在低磁场下不仅表现 出极弱的铁磁性, 磁电效应也几乎为零，因此在室温下呈弱 的反铁磁性。
多铁性起源
铁电有序
• 电滞回线：自发极化过程 • 自发极化----原子位置---氧八面体中离子偏离中心的运动--ABO3型钙钛矿结构 • 居里温度：顺电相到铁电相的转变温度
多铁性起源
• 铁磁有序
• 铁磁性起源—过渡元素的原子具有一定大小的固定磁矩， 有序排列
Baidu Nhomakorabea
• 反铁磁性（BiFeO3)---原子自旋反向平行，宏观磁矩为0