多铁性材料
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。
《Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性与铁电光伏效应》范文

《Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性与铁电光伏效应》篇一一、引言随着现代科技的发展,多铁性材料因其独特的物理性质和潜在的应用前景,已成为材料科学研究的重要领域。
Bi5Ti3FeO15基薄膜作为一种典型的多铁性材料,具有丰富的物理性质和潜在的应用价值。
本文将重点探讨Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性和铁电光伏效应,以期为相关研究提供参考。
二、Bi5Ti3FeO15基薄膜的结构与性质Bi5Ti3FeO15基薄膜是一种具有钙钛矿结构的复合氧化物薄膜。
其晶体结构由Bi、Ti和Fe等元素组成,具有较高的结晶度和良好的稳定性。
该薄膜具有多铁性,即同时具有铁电、铁磁和铁弹性质,使得其在多场耦合、磁电耦合等方面具有独特的应用价值。
三、多铁性研究多铁性是指材料同时具有多种铁性性质,如铁电、铁磁等。
Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性源于其特殊的晶体结构和电子结构。
在电场作用下,该薄膜的铁电性质表现为电偶极矩的可逆变化;在磁场作用下,其铁磁性质表现为磁化强度的变化。
此外,该薄膜还具有铁弹性质,即在一定条件下可发生晶格畸变。
这些性质使得Bi5Ti3FeO15基薄膜在多场耦合、磁电耦合等方面具有广泛的应用前景。
四、铁电光伏效应铁电光伏效应是指铁电材料在电场作用下产生的光生电压效应。
Bi5Ti3FeO15基薄膜具有较高的铁电性能和光响应性能,因此具有显著的铁电光伏效应。
当光照射到该薄膜表面时,光生载流子在电场作用下发生分离和迁移,从而产生光生电压。
这一现象在太阳能电池、光电传感器等领域具有潜在的应用价值。
五、实验研究为了深入研究Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性和铁电光伏效应,我们开展了系列实验。
首先,通过溶胶-凝胶法制备了Bi5Ti3FeO15基薄膜,并对其晶体结构和形貌进行了表征。
其次,利用铁电测试仪和光伏测试系统,研究了该薄膜的铁电性能和光伏性能。
实验结果表明,Bi5Ti3FeO15基薄膜具有较高的剩余极化强度和良好的光响应性能,其铁电光伏效应显著。
多铁性材料可将热直接转化为电

出 的 储 氢 材 料 基 本 上 都 是 金 属 氢 化 物 、 吸 附 剂 材 料 以及 氨 硼 烷 等 固体 材 料 。 液 态 储 氢 材 料 不 仅 便 于 存 储 和 运 输 , 也 可 以 利 用 现 在 流 行 的 液 态 能 源 基 础 设 施 。 ”柳 时 元 说 。 研 制 出该 液 态 储 氢 材 料 的关 键 是 化 学 方 法 。 刚开 始 ,柳 时元 团队发 现6 的氨 硼 烷 会 环
一
在 这 一 过 程 中 ,合 金 会 吸 收一 些 潜 热 ,将 热 直接变 为 电。” 这项技 术 将具有 深远 的影 响 ,人们 有望 不 再 需 要 为 发 电厂 配 备 庞 大 的压 力容 器 、 运 送
和 加 热 水 的排 水 设 施 以及 热 交 换器 。而 且 , 这 一 原 理 也 适 用 于 地 球 上 很 多 温 差 小 的 热
属 中心 的 一 氧 化 碳 所 吸 收 的 波 长 便 会 变 短 , 表 示 催 化 剂 正 在 工 作 。 结 果 表 明 , 即 使 处 于 非 常低 的温度 ,这一 变化 仍 会发 生 。
囚禁 电子 和 空 穴 ,这 需 要 两 者 长 时 间 保 持 足 够 靠 近 以进 行 重 组 。 电子 和 空 穴靠 近 的 时 间 越 长 ,L D装 置 的 效 率 就 越 高 。 虽 然 一 般 E L D的 内部量 子 效 率 能达 到8 %,但 传 统 的单 E O pn 点薄 膜L D的外 部效 率却 只有3 -结 E %。 新 装 置 内的氧 化 锌 纳 米 线 构 成 Ypn 的 —结
度 和 压 力 下 , 高 效 存 储 单 个 氢 原 子 , 并 在 需 要 时将 其 释放 。 而将 氢 分子 转化 为 氢 原子 ,通 常 需要 催化 剂 打 破 两 个 氢 原 子 间 的化 学 键 , 目前 可 用 的 最 佳 催 化 材 料 通 常 由钯 和 铂 等 贵 金 属 制 成 , 其 可 以有 效 激 活 氢 ,但 稀 有 性 和 昂 贵 的 造 价 限制 了它 们 的广泛 使 用 。 此次 研 究小 组通 过 向铝 中浸注 少量 钛 形成 铝 钛 合 金 作 为 激 活 氢 的催 化 剂 , 以 实 现 氢 的 高 效 存 储 。 铝 金 属 含 量 丰 富 ,钛 的 自然 界 含 量 比贵 金 属 更 加 丰 富 ,且 在 合 金 中 的 含 量 极
多铁性材料的发展与挑战

一、多铁性材料的研究背景与现状
早在1894年P·居里就利用对称性的理论预测自然界中存在磁电效应。1960年科学家们发现了单晶Cr2O3在80 K到330 K的温度范围内存在磁电效应,由此引发了寻找磁电效应的热潮,并相继在混合钙钛矿型磁性铁电材料,反铁磁材料和亚铁磁材料中发现了极弱的磁电效应。 1970年,Aizu根据铁电、铁磁、铁弹三种性质有一系列的相似点将其归结为一类,提出了铁性材料(ferroics)的概念。1994年瑞士的 Schmid明确提出了多铁性材料(multi-ferroic)的概念,指具有两种或两种以上初级铁性体特征的单相化合物。
专家指出将组合方法用于多铁性材料的筛选有望极大地加速新型多铁性材料地发展和优化。利用国家同步辐射实验室同步辐射光源地高亮度、高准直和波长连续可调的特性,可以用来研究多铁性材料磁电耦合的机理,为新型多铁性材料的设计提供理论基础。
㈢磁介电材料及相关问题
专家指出,磁介电效应与电子铁电性及磁电效应一样,是多铁性材料的重要物理特性。在含有可变价磁性元素的复合钙钛矿与层状钙钛矿系统中,由于缺陷序、离子序、电荷序、自旋序及轨道序之间耦合导致异常的介电效应-多介电弛豫及巨介电常数台阶。磁介电效应、电子铁电性和巨介电效应的发现,给铁电物理与材料领域注入了新的活力与生机。专家特别强调了界面在材料研究中的重要性。
专家从国家及数据科技发展对高速度、高密度、高稳定性的存储设备的需求与目前主流市场的RAM的易失性、易受电磁干扰的突出矛盾出发,指明了新型的电阻型存储器(ReRAM)发展的必然趋势。列举了国际上科研机构以及公司(如三星、夏普等)在ReRAM上研究的一些进展,并且通过比较指明了我国此领域的在材料开发、器件研究、工艺摸索等方向上的研究机遇。
专家指出,8 nm BaTiO3陶瓷仍然具有铁电性,与大晶粒微米级BaTiO3陶瓷相似随温度降低存在多个低对称结构的相,但同时表现出多相共存的特点。通过对铁电BaTiO3尺寸效应的研究,启发我们可以在更小尺寸上去进行复合、耦合,从而实现各种尺寸的多铁性复合。
多铁性材料Bi0.95R0.05(Fe0.95Co0.05)O3(R=La,Eu,Ho)的磁性及XAFS研究

・1・
多铁 性材 料 B i 0 . 9 5 R 0 . 0 5 ( F e o . 9 5 C o o . o s ) o 3 ( R=L a , E u , Ho ) 的磁 性
.
.
( R= La , Eu, H0 )M u l t i f e r r o i c Ma t e r i a l
LI Yo n g t a o ,W ANG S h u a i ,ZHANG Ho n g g u a n g ,CHEN We i ,GE Z h i y o n g ,LI Xi n g’ a o 。
及 XA F S研 究
李永涛 , 汪 帅1 , 张红光 , 陈 伟 , 葛智 勇 , 李兴 鳌
( 1 南京 邮电大学理学院 , 南京 2 1 0 0 4 6 ; 2 南京 邮电大学 材料科学与工程学 院, 南京 2 1 0 0 4 6 )
摘要 利 用溶胶一 凝胶 法成功制备双元素 共掺 杂 B i 0 . 9 5 o 5 ( F e 0 9 5 C o 。 l 0 5 ) 0 3 (R — L a , E u ,Ho) 系列样品 。X
( 1 S ch o o l o f S c i e n c e ,N a n j i n g Un i v e r s i t y o f P o s t s a n d T e l e c o mmu n i c a t i o n s , Na n j i n g 2 1 0 0 4 6 ;2 S c h o o l o f
射线衍射 实验数据表 明: E u离子掺杂使得 B i F e ( ) 3 材料 的晶体结构发 生了变化 。振 动样 品磁 强计 测量 的样 品磁 性数
多铁材料在电子器件中的应用研究

多铁材料在电子器件中的应用研究近年来,多铁材料作为一种具有磁性和铁电性的特殊功能材料,在电子器件领域引起了广泛关注和研究。
多铁材料具备同时具备磁性和铁电性的特点,其在电子器件中的应用具有广阔的前景和潜力。
本文将探讨多铁材料在电子器件中的应用研究现状和发展趋势。
首先,多铁材料在存储器件方面具有重要应用。
传统的存储器件通常采用磁性或电性材料进行存储,而多铁材料具备同时具备磁性和铁电性的特点,可以实现同时存储磁性和电性信息。
通过调控材料的磁性和铁电性能,可以实现存储器件的高密度、高速度和低功耗等优势。
多铁存储器件的应用研究已取得一定进展,但仍存在一些挑战,如材料的稳定性和可控性问题。
未来的研究将侧重于材料的设计和制备工艺的优化,以实现多铁存储器件的商业化应用。
其次,多铁材料在传感器方面也具有广泛的应用前景。
多铁材料可以通过磁场、电场或应变等外界刺激来改变其物理特性,从而实现对环境变化的感知和响应。
以磁性传感器为例,通过引入磁性多铁材料,可以实现对磁场变化的灵敏检测和高精度测量。
同时,多铁材料还可以应用于压力传感器、温度传感器等领域,以实现对压力、温度等参数的高灵敏度检测。
多铁材料在传感器领域的研究还处于起步阶段,未来的发展方向包括材料性能的优化、器件结构的设计和测量系统的完善等。
另外,多铁材料也在能源器件中显示出巨大的潜力。
例如,多铁材料可以应用于超级电容器、锂离子电池、太阳能电池等领域,以实现能量存储和转化的高效率和高性能。
多铁材料具备良好的电化学、光电化学和热电性能,可以通过调控材料的能带结构和界面性质来提高能源器件的性能。
目前,多铁材料在能源器件领域的研究主要集中在材料的合成和表征,未来的工作将侧重于多铁材料在器件中的应用性能和稳定性的研究。
最后,多铁材料在电子器件中还有其他一些应用,如天线、超频元件、声波传感器等方面。
多铁材料的独特特性使其具备优异的电磁、声学和光学性能,可以应用于无线通信、雷达、声学器件等领域。
多铁简介

3.2铁电性和磁性共存的机制
Pr0.5Ca0.5MnO3
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4.潜在应用
传感器
存储器 光伏材料
光催化材料等
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Thank you!
单相多铁性材料简介
指导教师:袁宏明
基本框架
1.背景介绍
2.基本定义
3.相关原理
4.潜在应用
2
1.背景介绍
超导态:是指在某一温度 下,物质的电阻变为零且 出现完全抗磁性的状态, 即零电阻效应和迈纳斯效 应。
巨磁阻效应:是指磁性材 料的电阻在外加磁场的作 用下发生巨大变化的现象。
3
2.基本定义
4
铁磁性
铁电性
铁弹性
2.2单相多铁材料
5
3.相关原理
3.1磁性和铁电性的互斥性 铁磁性与铁电性的互斥性
6
3.2铁电性和磁性共存的机制 3.2.1 离子复合导致铁电性
e.g. Pb(Fe1/2Nb1/2)O3(PFN) 其中Fe3+离子和Nb5+离共存的机制
2.1基本铁性
表2.1多铁材料的铁性 铁磁性指的是一种材料的磁性状态, 具有自发性的磁化现象。 存在一个临界温度,在此温度下才 会发生;具有磁滞回线。 在一些电介质晶体中,晶胞的结构 使正负电荷重心不重合而出现电偶 极矩,产生不等于零的电极化强度, 使晶体具有自发极化,晶体的这种 性质叫铁电性。 外应力改变时,晶体应变滞后于应 力变化,且应力与应变是非线性关 系。在周期性外应力作用下,应变 与应力的关系曲线类似于磁滞回线, 称为力滞回线。
8
3.2铁电性和磁性共存的机制
3.2.3 六角晶系锰氧化合物中的几何铁电性 e.g.YMnO3
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3.2铁电性和磁性共存的机制
D02多铁性材料

分会主席:董帅、殷月伟、马静、张金星、刘俊明 D02-01 六角铁氧体多铁性材料新体系探索 陈湘明,刘娟,孙土来,刘小强,田鹤,高庭庭 浙江大学
与六角稀土锰酸盐类似,六角稀土铁氧体 h-RFeO3 的铁电性起源于其结构基元-FeO5 双金字塔的畸变,而这种畸变必然 导致 Fe-O-Fe 超交换作用的变化,最终导致本征的电控磁性。同时,稀土铁氧体的磁转变温度一般高于稀土锰酸盐,因而有 望成为诱人的室温多铁性新体系。然而,稀土铁氧体的室温稳定结构为正交钙钛矿结构,h-RFeO3 通常为亚稳定相。本工作 通过 In 部分置换 LuFeO3 中的 Lu、引入化学压,从而在宽成分范围内获得了稳定的 h- Lu1-xInxFeO3 固溶体陶瓷。自 x=0.4 起可获得六角单相结构,x=0.4~0.6 的范围内为 P63cm 结构,x=0.75 时转变为 P63/mmc 结构。随着 In 置换量增加,从 P63/ mmc 到 P63cm 的相变点 TC 从>1000K 单调降低至室温以下。虽因其电导率过高,未能测得饱和的电滞回线。根据 X 射线衍 射数据可计算离子偏离中心对称结构的位移,从而计算出(Lu1-xInx)FeO3 对应于 x=0.4, 0.5 与 0.6 的自发极化值:1.98, 2.94 与 1.93mC/cm2。通过球差矫正电子显微镜直接观察到了其铁电离子位移与“幸运花瓣”铁电畴结构。该材料为反铁磁体,表现 出明显的室温弱铁磁性,而随着温度进一步下降会转变成铁磁体。室温铁电与弱铁磁性的确定,显示出 h-(Lu1-xInx)FeO3 作 为室温多铁性材料新体系的巨大潜力。
D02-03 DyCrO4 高压相大线性磁电耦合效应及场诱导的铁磁铁电 龙有文 中国科学院物理研究所
DyCrO4 是一种罕见的具有 Cr5+电荷态的化合物,常压下结晶为锆石型晶体结构(空间群 I41/amd)。该相对外加压力非 常敏感,高压下会发生一级不可逆结构相变,转变成白钨矿型晶体结构(空间群 I41/a)。经过一定压力与温度处理,我们得 到了白钨矿型 DyCrO4 高压相,并通过不同温度与磁场下磁化率、磁化强度、比热、介电常数、热释电、中子衍射等系列测 试,详细研究了材料的磁电性能。白钨矿型 DyCrO4 具有共线非极化反铁磁基态,在±3T 磁场范围内,展示了线性磁电耦 合与逆磁电耦合效应,并且线性磁电耦合系数高达 50 ps/m。较高的磁场(> 3T)可诱导磁结构相变,使原有共线性反铁磁 发生倾斜,一方面导致强的铁磁净磁矩(7µB/f.u.),另一方面新的磁结构可打破空间反演对称性,从而诱导电极化。因此, DyCrO4 是一个少有的兼具大线性磁电效应以及铁磁-铁电耦合的多功能材料体系。
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大部分材料的磁化和铁电极化都很小
虽然已经发现了若干多铁性材料,但其中大部分材料的
磁化和铁电极化都很小。例如,铁电极化比典型的现为反铁磁性或弱磁性, 也严重阻碍实际应用。更为严重的是,目前发现的多 铁性材料绝大部分只在极低温下才表现出铁电性和磁 性的共存,这给实际应用带来了巨大的困难。目前迫 切需要寻找室温下表现出较大磁矩和铁电极化的材料。 一方面要深入研究现有机制,探讨现有机制下室温多 铁性出现的可能性,另一方面也还需要寻找新的多铁 性的机制。
至于多铁性聚合物,磁电响应已大到可以直接利用其磁电
转换信号,来制作传感器,可调谐过滤器和数位存储器等 组件。可以这么说,多铁性聚合物已经能看到其市场前景。 但是,现在大部份的应用都还是基于块材或厚膜样品,无 法很好地整合到现有的组件中去。多铁性聚合物薄膜的制 备仍存在一些问题,其中之一是基板的钳夹效果,部份抵 消了压电或磁致伸缩所产生的应力,传统的层层水平相迭 的构造已不再适合,需要有新突破。最新的发展是设法生 长垂直排列的多铁性纳米聚合物薄膜。这样,应力是在垂 直于基板的方向,可避免基板钳夹的影响。如果能适当地 控制两相及基板间的应力,通过三维磊晶的效果,这种垂 直纳米结构聚合物是可以在不少的体系中做成功的。
图1 温度为46K 时Ni3B7O13I 的磁电转换电 压输出信号之示意图﹐箭头及数字 表示信号随外加磁场变化之走向。
材料的研发与制备要有重大的突破
现有的多铁性材料为数很少,且其中大部份是铁电反铁磁,
但铁电铁磁在实际上有更广泛的用途。对于绝大多數的多 铁性而言,其铁磁或反铁磁转变温度远低于铁电转变温度, 且低于室温。仅有的被证实的室温多铁性只有BFO,但 BFO在材料制作方面有很多问题,包括杂质相的出现和微 缺陷的形成等,造成很大的漏电流。而漏电流的加热效应 在组件实验中会造成很多假象,如在施加较大电压下会导 致偏磁场的减小,造成电场对磁场有控制的假象。目前, 就制作示范组件,验证新组件之概念而言﹐BFO是最佳的 选择之一。但其在材料制备上的难度,将会限制最终的商 业化。寻找新材料﹐特别是铁电铁磁和室温多铁性材料, 无疑是这一领域未來发展的重点之一。
人工结构中的多铁性问题
由于实验技术的不断提高,目前凝聚态物理学和材料
科学研究领域更多地拓展到各种人工结构,诸如超晶 格等的制备和物理性质研究。人工结构材料可以不受 一些自然条件的限制,表现出一些新的物理现象。例 如,已经有人提出在Fe/BaTiO3 超晶格结中可以实现 电场对磁化的调控。而采用三种不同的材料,如 LaAlO3/La0.6Sr0.4MnO3/SrTiO3 的超晶格结构可以 在界面处得到铁电极化,但其中的物理机制还远不清 楚。可以预期在人工结构材料中将会得到新的多铁性 系统以及磁性和铁电性之间调控的新机制。
铁性磁涡旋系统的研究
关于铁性磁涡旋系统目前还存在很大的争议。首先,
是否将其作为一种基本的铁性还存在争议。而更为基 本的这类系统的定义也还没有完全确定。铁性磁涡旋 系统与多铁性系统的关系及其在实验上的特性也还需 要更多的研究来表征。
总的来说,由于多铁性材料中同 时存在铁电性和磁性,使得这一 体系有很大的应用前景,得到了 很大的重视。这一体系的研究也 必然推动对铁电性、磁性以及强 关联电子体系的研究。
理论上对磁电耦合机理要有更深的理解, 特别是耦合强度的极限与影响因素
如图1以及最近的结果都显示, 电域与磁域相互触发要在很大 的电场或磁场下才发生,这样 的数值显然不适合于组件应用。 近来用一些显微成像技术,的 确看到BFO中电域与磁域的相 互触发,但是这只是局部个别 电域或磁域的翻转,与组件运 作所需的样品中所有域都要翻 转,还相差甚远。
多铁性系统中铁电性和磁性之间的互 相调控问题是多铁研究的本征问题
虽然在一些多铁性材料中已经发现磁场导致电极化方向改变的
效应,但只有极少数材料表现出磁场导致电极化反向的过程, 而这一过程在实用中有很大的优点。另一方面,相反过程—— 电场对系统磁化的影响,也只在极少数材料中被发现,而且效 应也不显著。因此需要寻找存在铁电性和磁性之间互相调控更 加显著的材料,这也需要寻找新的多铁性以及铁电性与磁性之 间互相调控的机制。日本东京大学Tokura 教授参照庞磁电阻锰 氧化物中在双量子临界点附近可以实现很大的庞磁电阻效应这 一思路,提出在多铁性系统中,也可以在多铁性(铁电性)到顺电 相的双临界点附近的体系中,应该也能得到很大的铁电性与磁 性之间的调控效应。我们认为,统中显著的各种性质间的调控 效应需要能量尺度上接近的多种相互作用间的相互竞争,寻找 铁电性和磁性之间显著的互相调控也应该从这方面着手。