弛豫多铁性材料研究进展
《Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控》范文
《Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控》篇一一、引言随着现代电子技术的飞速发展，铁电材料因其独特的电性能和物理特性在微电子器件、传感器和储能器件等领域得到了广泛的应用。
Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜作为一种新型的铁电材料，具有优异的电性能和良好的稳定性，在铁电存储器、传感器和储能器件等领域具有巨大的应用潜力。
本文将重点探讨Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控，为进一步优化其性能提供理论依据。
二、Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性主要表现在其电性能随时间的变化。
在电场作用下，薄膜内部的极化过程会受到温度、频率和电场强度等因素的影响，导致其电性能发生弛豫现象。
为了研究这一现象，我们采用了多种实验手段，如介电谱、铁电测试等，对Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性进行了深入分析。
首先，我们通过介电谱测试得到了薄膜在不同温度和频率下的介电常数和介电损耗。
结果表明，随着温度的升高和频率的降低，薄膜的介电常数逐渐增大，而介电损耗则呈现出先减小后增大的趋势。
这表明在一定的温度和频率范围内，Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜具有良好的弛豫特性。
其次，我们利用铁电测试手段对薄膜的极化过程进行了研究。
结果表明，在电场作用下，薄膜内部的极化过程具有明显的滞后现象，即极化强度随时间逐渐增大并达到饱和状态。
这一过程与温度、频率和电场强度等因素密切相关，进一步证实了Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜具有良好的弛豫特性。
三、Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的储能特性调控为了进一步提高Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的储能性能，我们对其进行了多种调控手段的研究。
首先，通过改变薄膜的制备工艺参数，如沉积温度、气氛和退火时间等，可以有效地调控薄膜的微观结构和成分，从而影响其储能性能。
其次，通过引入掺杂元素或制备复合材料等方法，可以进一步提高薄膜的储能密度和效率。
人工合成铁卟啉fe(oep)cl弛豫效应的穆斯堡尔研究
人工合成铁卟啉fe(oep)cl弛豫效应的穆斯
堡尔研究
人工合成铁卟啉Fe(OEP)Cl弛豫效应的穆斯堡尔研究
人工合成的铁卟啉分子（Fe(OEP)Cl）是一种典型的金属有机框
架分子，它具有很强的吸收能力和弛豫效应。
该分子在组装成多孔材
料时，可以应用于分离和催化等领域。
因此，对其分子结构和弛豫效
应的研究已经变得越来越重要。
穆斯堡尔光谱学是一种非常重要的分析手段，已被广泛应用于研
究铁化合物的结构和弛豫效应。
通过穆斯堡尔光谱学的研究，可以获
得化合物的铁离子固有谱线，进而了解铁的电子状态、配位构型和环
境对其弛豫效应的影响。
在研究中，我们利用穆斯堡尔光谱学对人工合成的铁卟啉
Fe(OEP)Cl分子进行了研究。
原始数据表明，该分子具有明显的弛豫效应。
通过分析其质量分数、碘酸钾脱色试验和热重分析等实验方法，
我们进一步确定了其分子结构，在各种条件下对其组装进行了实验，
获得了不同结构的多孔材料，并对其进行了穆斯堡尔光谱的测试。
在实验中，我们观察到了不同的质子位移和超精细分裂，这些分
布表明它们与铁基团中铁离子或相邻原子团之间的相互作用有关。
同时，我们还观察到了比较明显的弛豫效应，这表明铁离子的电子状态、配位构型和环境等因素对其弛豫过程有着显著的影响。
通过我们的实验和研究，我们对人工合成的铁卟啉Fe(OEP)Cl分
子的分子结构和弛豫效应有了更深入的认识，并且能够更加有效地利
用这种分子在材料科学领域中的应用。
我们的研究还可以为构建更具
选择性和活性的多孔材料提供一定的参考价值。
功能陶瓷材料的制备与研究进展
功能陶瓷材料的制备与研究进展摘要：该文重点介绍了三种功能陶瓷的发展和制备情况，并针对我国功能陶瓷的研究存在的问题提出应对方法，以期为我国未来功能陶瓷的研究提供参考。
关键词：功能陶瓷制备研究功能陶瓷自20世纪30年代发展以来，经历了电介质陶瓷到高温超导陶瓷的发展历程，目前功能陶瓷在计算机技术、微电子技术、光电子技术等领域应用广泛，成为推动我国科技发展的重要功能性材料。
1 功能陶瓷情况介绍1.1 微波介质陶瓷微波介质陶瓷主要应用于现代通讯设备中，尤其在介质天线、滤波器、谐振器等设备中发挥着至关重要的作用。
在现代通讯技术影响下，我国十分重视微波介质陶瓷的研究和发展。
微波介质陶瓷研究对其基本要求如下。
为了实现微波元器件小型化发展要求，在使用的微波波段中微波介质陶瓷介电常数ε应尽可能的大；为了保证较好的通讯质量和良好的滤波性质，微波介质陶瓷的品质因数Q应尽可能的小；应保证谐振频率的温度系数可调节或者最大限度的小。
除此之外，还应充分分析微波介质陶瓷的绝缘电阻、传热系数等参数。
目前对微波介质陶瓷的研究、开发主要集中在以下方面。
首先，高品质因数和低介电常数的微波介质陶瓷，这类材料主要以BaO-ZnO-Nb2O5、BaO-ZnO-Ta2O5、BaO-MgO-Ta2O5或者它们之间的复合材料为代表。
当满足f≥10?GHz，Q=(1-3)×104，ε=25-30，谐振温度系数几乎为零时，可广泛应用于毫米、厘米波段的卫星直播通信系统中。
其次，中等的Q和ε微波介质陶瓷，其组成材料主要有Ba2TiO20、(Zr，Sn)TiO4以及BaTi4O9等。
当满足f≤3-4?GHz，Q=(6-9)×104，ε≈40，谐振温度系数小于等于5×10-6/℃，可作为微波军用雷达通信系统的重要器件。
最后，低Q和高ε微波介质陶瓷，以BaO、TiO2、Ln2O3为主要组成材料，该类陶瓷在目前微波介质陶瓷研究中受到人们的广泛关注。
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
ZnO基材料的压电、铁电、介电与多铁性质
ZnO基材料的压电、铁电、介电与多铁性质研究进展作者：门保全， 郑海务， 张大蔚， 马兴平， 顾玉宗， MEN Bao-quan， ZHENG Hai-wu，ZHANG Da-wei， MA Xing-ping， GU Yu-zong作者单位：门保全,MEN Bao-quan(河南大学物理系,微系统物理研究所,光伏材料省重点实验室,开封,475004;河南农业职业学院,郑州,451450)， 郑海务,张大蔚,马兴平,顾玉宗,ZHENG Hai-wu,ZHANG Da-wei,MA Xing-ping,GU Yu-zong(河南大学物理系,微系统物理研究所,光伏材料省重点实验室,开封,475004)刊名：硅酸盐通报英文刊名：BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY年，卷(期)：2009，28(4)被引用次数：0次1.郑海务.孙利杰.张杨退火温度对6H-SiC衬底上ZnO薄膜发光性质的影响[期刊论文]-人工晶体学报 20072.Lin Y C.Chen M Z.Kuo C C Electrical and optical properties of ZnO:Al film prepared on polyethersulfone substrate by RF magnetron sputtering 20093.Kim S.Seo J.Jang H W Effects of ambient annealing in fully 002-textured ZnO:Ga thin films grown on glass substrates using RF magnetron co-sputter deposition 20094.Sanchez N.Gallego S.Muňoz Magnetic States at the Oxygen Surfaces of ZnO and Co-Doped ZnO 20085.Xin M J.Chen Y Q.Jia C Electro-codeposition synthesis and room temperature ferromagnetic anisotropy of high concentration Fe-doped ZnO nanowire arrays 20086.Kumar R.Singh A P.Thakur P Ferromagnetism and metal-semiconducting transition in Fe-doped ZnO thin films 20087.Onodera A.Tamaki N.Jin K Ferroelectric properties in piezoelectric semiconductor Zn1-xMxO(M=Li,Mg) 19978.zgürü.Alivov Y I.Liu C A comprehensive review of ZnO materials and devices 20059.Pearton S J.Norton D P.Ip K Recent progress in processing and properties of ZnO 200510.Onodera A.Tamaki N.Kawamura Y Dielectric activity and ferroelectricity in piezoelectric semiconductor Li-doped ZnO 199611.Onodera A.Yoshio K.Satoh H Li-substitution effect and ferroelectric properties in piezoelectric semiconductor ZnO 199812.Joseph M.Tabata H.Kawai T Ferroelectric behavior of Li-doped ZnO thin films on Si(100) by pulsed laser deposition 199913.Dhananjay.Nagaraju J.Krupanidhi S B Effect of Li substitution on dielectric and ferroelectric properties of ZnO thin films grown by pulsed-laser ablation 200614.Ni H Q.Lu Y F.Liu Z Y Investigation of Li-doped ferroelectric and piezoelectric ZnO films by electric force microscopy 200115.Yang Y C.Song C.Wang X H Giant piezoelectric d33 coefficient in ferroelectric vanadium doped ZnO films 200816.Zhang Y J.Wang J B.Zhong X L Influence of Li-dopants on the luminescent and ferroelectric properties of ZnO films 200817.Lin Y H.Ying M H.Li M Room-temperature ferromagnetic and ferroelectric behavior inpolycrystalline ZnO-based thin films 200718.Zhang K M.Zhao Y P.He F Q Piezoelectricity of ZnO films prepared by sol-gel method[期刊论文]-Chinese Journal of Chemical Physics 200719.Yu L G.Zhang G M.Zhao X Y Fabrication of lithium-doped zinc oxide film by anodic oxidation andits ferroelectric behavior 200920.Zou C W.Li M.Wang H J Ferroelectricity in Li-implanted ZnO thin films21.Dhananjay Singh S.Nagaraju J Dielectric anomaly in Li-doped zinc oxide thin films grown by sol-gel route 200722.Dhananjay.Nagaraju J.Choudhury P R Growth of ferroelectric Li-doped ZnO thin films for metal-ferroelectric-semiconductor FET 200623.Dhananjay.Nagaraju J.Krupanidhi S B Off-centered polarization and ferroelectric phase transition in Li-doped thin films grown by pulsed-laser ablation 200724.Yang Y C.Song C.Wang X H V5+ ionic displacement induced ferroelectric behavior in V-doped ZnO films 200725.Yang Y C.Song C.Wang X H Cr-substitution-induced ferroelectric and improved piezoelectric properties of Zn1-xCrxO 200826.Schuler L P.Valanoor ler P The effect of substrate materials and postannealing on the photoluminescence and piezo properties of DC-sputtered ZnO 200727.Wang X B.Song C.Li D M The influence of different doping elements on microstructure,piezoelectric and resistivity of sputtered ZnO film 200628.Wang X B.Li D M.Zeng F Microstructure and properties of Cu-doped ZnO films prepared by dcreactive magnetron sputtering 200529.Juang Y.Chu S Y.Weng H C Phase transition of Co-doped ZnO 200730.Ghosh C K.Malkhandi S.Mitra M K Effect of Ni doping on the dielectric constant of ZnO and its frequency dependent exchange interaction 200831.Spaldin N A Search for ferromagnetism in transition-metal-doped piezoelectric ZnO 200432.Yang Y C.Zhong C F.Wang X H Room temperature multiferroic behavior of Cr-doped ZnO films 20081.学位论文杜朝玲Sr<,m-3>Bi<,4>Ti<,m>O<,3m+3>铁电氧化物和ZnO基稀磁半导体的拉曼光谱研究2007拉曼光谱学是研究物质元激发、结构和其它等物理性质的重要手段之一。
弛豫铁电单晶的生长_性能及应用研究_李晓兵
增刊
李晓兵等： 弛豫铁电单晶的生长、 性能及应用研究
37
K， 12． 5 Hz， 25 ℃ ） ． magnetodependent sensor based on the ME composite is manufactured， the detection sensitivity reach up to 1 pT·Hz － 1 /2 ． Key words： relaxorbased ferroelectric single crystals； crystals growth； piezoelectric； pyroelectric； transducers； pyroelectric infrared detectors； magnetic sensor
phasediagramroomtemperature12相mpb附近1516但是也有研究认为是由于三方四方相纳米弛豫铁电单晶的生长性能及应用研究增刊39畴的存在降低了晶体的对称性导致其宏观表现为单斜相的对称性1718以钛酸钡batio所示的三方单斜四方的相结构变化过程自发极化方向沿即电场作用下单斜相的变化在能量上是有利的因此对于具有钙钛矿结构的弛豫铁电单晶来说单斜相是其高压电性能的原因19方向极化后极性畴由原来的所示
LI Xiaobing，ZHAO Xiangyong，LUO Haosu，LIN Di，XU Haiqing，WANG Sheng，REN Bo， DI Wenning，ZHANG Yaoyao，LIU Linhua
（ Key Laboratory of Inorganic Functional Material and Device， Shanghai Institute of Ceramics， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 201800， China）
核磁共振横向弛豫时间与金属种类之间的关系
核磁共振横向弛豫时间与金属种类之间的关系宣艳;向义龙【摘要】采用低场核磁共振技术采集不同的硫酸盐溶液中的氢核的横向弛豫时间T2,比较了纯水和不同浓度硫酸盐溶液中的氢核的核磁共振信号,分析了不同金属阳离子对溶液中氢核的影响,并对金属离子盐溶液中的氢核的弛豫时间与金属种类和浓度之间的相关性进行研究.实验结果表明,金属离子钠、镁、铝、钾、铁、锰、铜和锌均能加快氢核的核磁共振弛豫衰减速度,具有促进水分子结合的作用.随着金属离子浓度增加,T2均变小.浓度相同的情况下,金属离子对液体中氢核的的影响由强到弱为:Mn2+＞Fe3+ ＞Cu2+＞Mg2+＞ Al3+＞Na+＞Zn2+＞K+.【期刊名称】《分析仪器》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】5页(P149-153)【关键词】核磁共振;弛豫时间;盐溶液;相关性【作者】宣艳;向义龙【作者单位】南京林业大学现代分析测试中心,南京210037;南京林业大学现代分析测试中心,南京210037【正文语种】中文1 引言水是地球上生物赖以生存的最重要物质之一。
自然界中的水分子不是孤立的，而是通过氢键的作用使得若干个分子聚合在一起，形成水分子团。
自从Dyke等人[1]于1977年验证了二元水结构以来，水分子团 [2-6]的实验和理论研究已经成为一个重要的研究方向。
多数的硫酸盐易溶于水，溶液中的离子会使溶液中的水分子重新排列，而这样排列的水分子结构与纯水结构有较大的差异。
因此盐溶液中的氢核弛豫的研究对于水分子团的研究具有重要的理论和现实意义。
低场核磁共振技术[7]是基于自旋核在射频磁场中的性质对材料进行分析的的一种测试方法。
低场核磁共振因其成本低廉、无损、快速等优点在粮油食品[8-11]、地质勘探[12，13]、石油化工[14-18]等领域得到了广泛的应用。
本实验利用低场核磁共振技术研究了硫酸盐溶液中氢核，研究了盐中的金属离子的种类和溶液浓度对氢的弛豫时间的影响。
特色研究报告：低维电磁功能材料研究进展
特色研究报告：低维电磁功能材料研究进展摘要：电磁功能材料在军事隐身、信息对抗等国防军工以及电磁辐射防护、微波通信等民用技术领域有着广阔的应用前景。
特别是，低维电磁功能材料具有独特的电磁特性，在电磁波吸收与屏蔽、通信与成像、传感与检测等方面受到越来越多的关注。
总结了曹茂盛研究小组在低维电磁功能材料方面取得的重要研究进展，主要包括碳纳米管、石墨烯、碳化硅、氧化锌、过渡金属及其化合物、多铁材料等。
系统论述了低维材料的电磁响应，包括电荷输运、偶极极化、磁共振、磁涡流等。
重点总结了在电磁响应方面提出的重要的模型和公式，包括电子跳跃（EHP）模型、聚集诱导电荷输运（AICT）模型、类电容结构、等效电路模型以及等效串联电路方程和电导网络方程等。
揭示了低维材料电磁响应与电磁屏蔽和吸收之间的重要联系，即电磁能量转换机制，包括极化弛豫和电荷输运协同竞争机制以及界面散射、微电流、微天线辐射和介质弛豫的竞争协同作用等。
最后，深入剖析了该领域的发展进程，提出了该领域面临的重大挑战，并预测了未来的研究方向。
关键词：低维材料；电磁响应；能量转换；电磁特性；电磁屏蔽；微波吸收电磁功能材料支撑着电子科学和信息工程的发展，是信息、通讯、能源、医学、航空航天、军事等各个领域技术研发的重要基础。
例如，超长波（λ=104～105 m）导航系统可用于海上定位和通信；中短波（λ=1～103 m）手机收发器能让我们足不出户便知天下事；太赫兹、红外及X射线探测器和成像装置被广泛应用于医疗检测和军事装备领域。
随着科学技术的发展，高性能电磁功能材料研发将成为今后科学界新的研究热点之一，未来电磁功能材料和器件的创新将给人类带来更多意想不到的惊喜。
低维电磁功能材料的研发推动了全球高新技术领域的进步。
新的物理效应，新的电磁响应机制和电磁性能，新的低维材料以及多元化、微小型化和智能化的新型电磁器件，为电磁波吸收与屏蔽、探测与传感、成像、开关与滤波、光学与光电等领域的发展带来了无限的活力。
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弛豫多铁性材料研究进展魏永星;靳长清;曾一明【摘要】多铁性材料同时具有多种铁性(铁电性、铁磁性或铁弹性)的有序,可实现电磁信号的相互控制,成为近年来研究热点.在具有成分无序的复杂体系中,长程铁性有序有可能被打破,材料将表现出弛豫特性.我们将至少存在一种铁性弛豫特性的多铁性材料称之为弛豫多铁性材料.这类多铁性材料的极化强度(或磁化强度)在外加电场(或外加磁场)作用下响应更加灵敏,其磁电耦合机制与长程有序的多铁性材料不同.本文结合国内外最新研究成果,首先介绍了和弛豫铁性有序相关的物理概念,重点阐述了多铁性材料在铁电和铁磁双弛豫态下的磁电耦合机制;然后,详细介绍了钙钛矿结构(包括PbB1B2O3基和BiFeO3基材料)和非钙钛矿结构(包括层状Bi结构和非正常铁电体)弛豫多铁性材料的研究进展;最后,对该领域亟待解决的问题进行了展望.%The multiferroic material, which shows the coexistences of multi ferroic orders (ferroelectricity, ferro-magnetism or ferroelasticity), can realize the mutual control of the electric and magnetic signals, and becomes one of the hottest research topics. The long-range ferroelectric or ferromagnetic order may be broken in compositionally disordered systems. In this situation, it is posssible that materials display relaxor behavior. Multiferroic materials pos-sessiong at least one ferroic relaxor character can be named as relaxor multiferroics. The polarization (or magnetiza-tion) is very sensitive to the applied electric field (or magnetic field). Besides, the magnetoelectric coupling effect of relaxor multiferroics is different from that of multiferroics with long ferroic orders. In this paper, the most recent and important theoretical and experimental advances inthis new research field are reviewed. Firstly, basic physical con-cepts of the relaxor ferroic orders and the different mechanism of the magnetoelectric coupling effect on materials are introduced with the coexistence of relaxor ferroelectric ordering and relaxor magnetic ordering. Then, the recent re-searches on two sorts of the relaxor multiferroics, including perovskite (PbB1B2O3based and BiFeO3based) and non-perovskite (Bi-layered based and improperly ferroelectric based) structural materials, are reviewed. Finally, the further development of relaxor multiferroics is prospected.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2017(032)010【总页数】9页(P1009-1017)【关键词】弛豫性;多铁性材料;磁电耦合;纳米存储器件【作者】魏永星;靳长清;曾一明【作者单位】西安工业大学材料与化工学院, 西安710021;西安工业大学材料与化工学院, 西安710021;昆明贵金属研究所, 昆明650106【正文语种】中文【中图分类】TQ174多铁性材料是指同时存在两种或两种以上铁性有序(铁电序、铁磁序、铁弹性)的材料, 可以实现电信号和磁信号的交互控制, 在传感器、能量收集转换器、可调微波器件和新型存储器等领域具有巨大的应用前景[1-4]。
早在1894年, Curie就预言了磁电耦合效应的存在。
从上个世纪末开始, 科研工作者就致力于多铁性材料磁电耦合的研究, 但是未取得突破性的进展。
直到2003年, 美国Ramensh研究组和日本Kimura研究组分别在钙钛矿结构的BiFeO3薄膜和正交结构的TbMnO3上发现了大的磁电耦合效应, 从而掀起了多铁性材料的研究热潮[5-6]。
十几年来, 多铁性材料的理论和实验研究已取得了骄人的成绩。
关于这一部分内容, 我国南京大学刘俊明[7-8]、清华大学南策文[4]、中国科学院靳常青[9]、华东师范大学段纯刚[10]、东南大学董帅[11]等教授率领的研究组均有很好的总结[4,7-11]。
本文要讨论的弛豫多铁性材料与常规意义的多铁性材料有着明显的不同, 当材料的长程铁性有序被打破而表现出纳米尺度的短程铁性有序时, 材料将表现出弛豫特性[12]。
我们将至少存在一种铁性弛豫特性的多铁性材料称为弛豫多铁性材料。
这里所指的铁性弛豫特性, 既包括铁电弛豫性和铁磁弛豫性, 也包括铁弹弛豫性, 但由于铁弹弛豫性的多铁性研究较少, 本文暂不讨论该方面的内容。
从狭义上讲, 弛豫多铁性材料可分为铁电弛豫性和长程铁磁序(铁磁、亚铁磁、反磁)共存的材料、铁电性和铁磁弛豫性共存的材料、铁电弛豫性和铁磁弛豫性共存的材料。
从相组成来看, 弛豫多铁性材料还包括单相弛豫多铁性材料和复合弛豫多铁性材料, 本文涉及的是单相弛豫多铁性材料。
弛豫铁电和弛豫铁磁性的共存, 使得铁性有序参数在电场和磁场下的响应更加敏感, 具有重要的科学意义和实用价值。
在这一领域, 英国、德国、日本、中国和斯洛文尼亚的科研工作者均做出了重要的贡献。
本文将主要对弛豫多铁性材料基本理论及发展现状进行介绍, 并指出该领域可能的发展方向, 为相关研究工作者提供参考。
弛豫铁电性一般出现在复杂化合物和固溶体中, 在同一晶体学位置上, 不同类型离子的共存导致原子排列的无序性及化合价和键合(共价键、离子键)的混合, 从而引起化学和结构的不均匀性。
在介电行为上, 弛豫铁电体表现出宽化的弥散介电相变异常峰, 介电常数峰值可以很大(>10,000), 介电常数峰值对应的温度与频率相关[13] (图1)。
值得注意的是, 弥散介电相变并不对应结构的相变。
关于弛豫铁电体的介电相变存在几种解释, 包括微畴–宏畴转变理论[14], 超顺电态理论[15], 结构起伏理论以及有序–无序转变模型[16]。
近年来, 科学界倾向于认为弛豫铁电体的行为与极性纳米微区(PNR)相关[13]。
当弛豫铁电体处于热遍历态时, 在微区内可能存在扭曲的铁电结构, 但在宏观上表现为平均立方相, P-E曲线为无滞后的非线性关系, 剩余极化强度为零, 压电系数为零。
而随着温度降低, PNR可以被冷冻或者转变为铁电畴, 与之对应, 弛豫铁电体由弛豫态转变到非热遍历态或者铁电态。
弛豫铁电体介电常数最大值的温度–频率关系可以通过Vogel- Fulcher(V-F)方程描述:其中, f代表测量频率, Tm代表介电异常峰峰值对应的特征温度, kB为玻尔兹曼常数, f0、Ea和Tf为拟合参数, Ea为激活能, Tf为冷冻温度, 代表由弛豫态转变到非热遍历态的温度[17]。
非热遍历态下的PNR在电场作用下可以转变为铁电畴, 因此, 弛豫铁电体在非热遍历态下表现出与正常铁电体相类似的电学性能, 例如, 方形电滞回线和大压电常数等。
类似地, 还存在纳米尺度的短程磁有序(NMR)材料, 其磁性介于长程磁有序材料(铁磁体、亚铁磁体和反铁磁体)和顺磁材料之间。
科学家把短程磁有序为主的材料称为弛豫铁磁体[18-19]。
通常采用自旋玻璃态解释弛豫铁磁体的磁性。
在弛豫铁磁体中, 电子的自旋不再统一排列, 而是随机取向, 这种随机取向不再随时间的改变而变化, 即存在空间坐标上的“无序”和时间坐标上的“有序”(图2)。
与之相应, 材料表现出一些新奇的物理效应。
比如, 其交流磁化率与温度曲线在玻璃态转变温度Tg附近表现出异常峰, 并且该异常峰与频率明显相关, 可以通过V-F方程来描述; 在很低的外加直流磁场作用下, 该异常峰就可被抹平。
再比如, 在带场冷却FC和零场冷却ZFC两种测量条件下, 磁化率在Tg以下表现出明显的背离。
弛豫多铁性材料的磁电耦合机制是极其复杂的。
在这里, 我们仅讨论材料在铁电弛豫态(热遍历态)和铁磁弛豫态(自旋玻璃态)共存下的磁电耦合。
铁电铁磁双弛豫态下, 电致应变与PNR-PNR的相互作用相关, 磁致应变与MNR-MNR的相互作用相关, 均为二次方效应, 不存在时空反演对称的破缺。
宏观自发极化强度和自发磁化强度的缺失禁止线性磁电耦合效应的出现。
在这种情况下, 磁电耦合效应与电致伸缩系数和磁致伸缩系数相关, 为间接的四次方效应[12]。
自由能表示如下:其中, 代表PNR和PNR相互作用项, 代表MNR和MNR的相互作用项, 极化强度P和磁化强度M的四次方的添加是为了确保系统的热力学稳定性。
与长程磁电序共存的自由能表达式不同, 上式不包含直接磁电耦合效应项。
已报道的钙钛矿结构型弛豫多铁性材料基本可以分为两类: 一类是PbB1B2O3基弛豫多铁性材料(表1), 另一类是BiFeO3基弛豫多铁性材料(表2)。
对于PbB1B2O3基钙钛矿材料, B1为铁磁活性离子, 如Fe3+, Co3+, Ni3+等; B2通常为铁电或非铁电活性离子, 铁电活性离子主要包括Ti4+, Nb5+, Ta5+和W6+。
B 位不同性质离子的混合, 是其产生弛豫铁电磁性的基础。