多铁性材料

铁电体的重要特征是具有电滞回线，电滞回线的存 在是判断晶体为铁电体的重要依据。
铁电性：具有稳定的自发电极化P，随外加电场E变化 时表现出电滞。
铁电体典型的P-E电滞回线如图所示，同时，电滞回 线也反应了自发极化随外加电场的变化而发生的转向。
铁弹性
铁弹性是指在一定温度范围内，应力与应变关系曲 线呈现与铁磁体的磁滞回线及铁电体的电滞回线相 似特征的材料特性。
正磁电效应: 磁场 调控 电性 DP = a DH or DE = a E DH
逆磁电效应: 电场 调控 磁性 DM = a DE
铁磁—铁电 复合
强耦合：巨磁电效应 室温、低场操纵
多铁性材料的分类：
多铁材料可以简单地分为两大类 一 单相材料 （纯净物） 二 复合体系 （混合物）
研究近况：
单相材料中近年来研究较热的材料， 主要有如下几类：
到了2000年，加州大学圣芭芭拉分校的Nicola Hill(现随夫姓 Spaldin，现瑞士苏黎世理工学院)指出磁电耦合材料如此稀少的 本质原因是因为磁性需要不满壳层的电子而铁电性需要满壳层的 电子，因此两者本质上是互相排斥的。磁与电在固体中水火不容！ 这无疑像一张病危通知书，预示着固体中的磁电耦合走到了绝路。
1966 年，人们发现硼酸盐Ni3B7O13I 单晶在低于60 K 的温 度以下同时具有弱铁磁性和铁电有序，并且在这一体系中观 察到了磁电耦合效应，即外加磁场在翻转磁矩的同时也能将 电极化翻转，这一效应被称为磁电开关效应。
如图所示，这是人类历史上发现的第 一个多铁材料。
Ni3B7O13I 中的磁电开关效应
多铁性材料
一，简述
多铁性材料这一概念是1994年瑞士的Schmid 明确提出的，多铁性材料(mutliferroic)是指材料 的同一个相中包含两种及两种以上铁的基本性能， 是一种集电与磁性于一身的多功能材料。常见的 多铁性材料有BiFeO3、TbMnO3、Ca2CoMnO6等。
铁的基本性能包括：
2003年是多铁性研究峰回路转的一年。马里兰大学的 Ramamoorthy Ramesh(现加州大学伯克利分校)研究组率先吹 响了多铁复兴的号角。Ramesh的学生王峻岭（现新加坡南洋理 工大学）合成了在室温下具有强磁性和强铁电极化的BiFeO3薄 膜。天性互斥的磁和电终于被摁在同一个固体中了。一时间 BiFeO3红遍全球，引无数研究者竟折腰。
（1）Bi 系钙钛矿结构多铁材料，如BiMnO3，BiFeO3 等。 （2）以 TbMnO3、DyMnO3 和 TbMn2O5 等为代表的由原子半径较大的 稀土族元素形成的正交结构的钙钛矿型锰化合物。 （3）由电荷有序引起的电极化，从而产生的多铁性材料，主要是掺杂的 钙钛矿型锰氧化物，如 La0.5Ca0.5MnO3 ，LuFe2O4，Pr1-xCaxMnO3 等。 （4）基于几何因素引起铁电性的六方层状结构的多铁材料，如HoMnO3， YMnO3 等。
磁电复合陶瓷
磁电复合陶瓷： 75% 的工作是关于 理论方面。
0-3型颗粒复相陶瓷：

(a) 高含量磁性相颗粒均匀分布在压电陶瓷基体中

(b) 抑止互反应、元素互扩散
2-2型叠层复相陶瓷:

(a) 共烧失配/coherent界面结合

(b) 抑止界面互反应、互扩散
多铁性材料的研究历史
1959年，前苏联科学家Dzyaloshinskii从理论上预言了第 一个磁电耦合材料Cr2O3，并在次年得到实验证实。通过 施加一百万伏每厘米的电场，可以使Cr2O3中每一百万个 自旋翻转五个。
应变S对应于外力σ的变化有滞后现象，应力与应变 呈非线性关系，自发应变方向可因外力场而反向。
表征铁弹性的力滞回线类似于铁电体的电滞回 线，具有铁弹性的晶体称为铁弹体。
铁弹性：具有稳定的自发形变ε，形变随外加应力σ变 化时表现出滞后。
其余性质
eg： 铁磁 — 铁电共存 磁电 (Magnetoelectrics)
R3，属于极性点群3，能满足产生铁电性的必要条件，而且它们还易溶于有 机溶剂，CD谱也表明了它们是一对对映异构体。测试分析表明它们不但呈现
铁磁性，而且在室温就观察到电滞回线（图3），交流变温电介常数的测定证 实了它们是铁电体。它们是首例铁磁性和铁电性共存的纳米尺度混合价锰簇
合物。
这种通过手性Schiff 碱配体去构筑极性锰簇合物的方法，为多铁性分子材料 的研究开辟了新的途径和提供了新的思路。（来源：中科院化学研究所）
该实验室科研人员利用两个新的纯手性Schiff 碱多齿配体（R-和S-H3L，见 图1）去构筑得到了由呈现C3对称的达到纳米尺度的二十二核锰簇
{[MnIII3MnII(O)(H2O)3(L)3]4[MnIII6Cl4O4]}做阳离子而呈现C3对称的三核锰簇 [MnIII3O(H2O)3(L)3] 做阴离子的两单元分立的纯手性混合价锰簇合物（R-1和 S-1，其金属骨架如图2所示），这两个纯手性化合物均结晶于纯手性空间群
次年，美国Rutger大学的Sang-Wook Cheong研究组在另 一种锰氧化物TbMn2O5中观察到铁电极化可以被磁场反 转。注意，这儿是从正到负的反转，而TbMnO3中是从c 到a的翻转。同年，德国马克斯波恩研究所的Manfred Fiebig(现波恩大学)研究组发现了六角HoMnO3的磁畴可 以通过电场来控制。 这些重量级的发现迅速将多铁性 材料推到到凝聚态物理与材料科学研究的最前沿。
多铁性材料同时具有磁有序和铁电有序，它如果用于 信息存储中将同时具有磁存储和铁电存储的优点，能 够大大推动器件小型化和多功能化的发展，从而在未 来的科技发展中具有举足轻重的地位。
结论：
总之，磁电多铁性材料具有潜在的巨大的商业应 用前景，同时多铁性材料由于磁、电的自旋-晶 格耦合而具有丰富的物理内涵，使其吸引了众多 科研工作者的极大关注，已成为新的热点。其在 基础和应用方面的突破，将有着重要的意义。
二，基本性能介绍
多铁性即具有两种或两种以上初级铁性体 的特征。
铁弹铁电 铁磁铁弹 铁磁铁电
驱动场 电场和应力
磁场和应力 磁场和电场
参量 压电系数
压磁系数 磁电系数
铁磁性
铁磁性是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们 的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列， 当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定 向排列程，多铁材料的研究取得了多方面的重大进 展，尤其是薄膜制备技术的进步，使得人工结构复合 体系在多铁材料的研究领域中异军突起。与此同时， 人们对单相材料中铁磁、铁电共存问题和磁电耦合效 应也有了更多、更深入的认识 。
2007年美国《科学》杂志预言了未来几年十大 研究热点问题中，多铁性作为唯一的物理类问 题入选。
下图给出了有关多铁材料的论文数量随年代的变化， 反映出多铁材料研究快速发展的趋势。
多铁材料的应用前景：
由于自发磁化可以随外加磁场翻转而标记逻辑单元的 “0”和“1”，铁磁材料被广泛地应用在信息存储和 电子学器件中，在现代科技中具有极其重要的地位。
同铁磁材料一样，铁电材料也可以用于信息存储。基 于铁电材料的铁电随机存储器由于其非易失性和读取 速度快等特点而具有巨大的应用前景。
铁电性（反铁电性） 铁磁性（反铁磁性、亚铁磁性） 铁弹性
并且不同的有序态之间存在着耦合可以通过磁 场控制电极化或者通过电场控制磁极化。它同 时还具有一些新的效应，大大拓宽了铁性材料 的应用范围。
不同的有序态之间存在的耦合，可以用不 同的外场相互调控，其关系可以用下图来进行 描述。
研究价值：铁磁铁电多铁性材料受到越来越多的关 注不仅是因为他们具有两种母相成分的特性，更重要 的是由于电性与磁性相互作用而产生的附加功能。例 如磁电效应（电场引起的磁极化，或磁场引起的电极化 ）能够产生全新的器件范例——电场控制的磁数据储。应 用多铁性磁电材料作为存储介质，可利用电场实现信息写 入过程，利用磁头实现读出过程，两者结合将使得目前存 储器件速度再提高一个数量级以上。多铁性材料为发展基 于铁电—磁性集成效应的新型信息存储处理以及磁电器件 等提供了巨大潜在应用前景，近来已成为国 际上一个新的研究领域。
铁磁性：具有稳定的自发磁极化M，随外加磁场H变 化时表现 出磁滞。
磁滞回线是铁磁性材料在外加磁场下表现出的宏观 磁性特性，同时反应了磁畴随外加磁场的变化而发生 转向。
铁电性
某些晶体在一定温度范围内具有自发极化，而且其 自发极化能够随外电场做可逆转动的性质称为铁电 性。具有铁电性的晶体称为铁电体。
新进展
2014年10月2日，在国家自然科学基金委、科技部重大科学研究计
划、中国科学院的大力支持下，中科院有机固体院重点实验室科
研人员与东南大学科学家合作，在多铁性分子材料研究领域取得
JACS 了创新性研究成果，其结果发表在《美国化学会志》（
）上 图1 手性Schiff碱配体R-和S-H3L(a)及R-1和S-1的CD谱(b)