铁磁学论文.doc

摘 要：本文主要介绍多铁性材料的定义、磁电耦合效应以及多铁性材料的种类，并且分别说明了单相多铁性材料和复合多铁性材料的磁电效应、存在的问题以及改善材料的方法，最后简单介绍了多铁性材料的应用。 关键词：多铁性材料 磁电耦合 磁电效应 1研究背景 各类材料是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础,每次材料革命均是人类文明进步的里程碑。随着人类社会的进步和发展,人们对材料性能的要求也越来越高。当前,材料研宄的热点之一是开发原子尺度的新材料和整合不同材料的新特性。新材料的研宄正沿着多功能化、高性能化、复合化方向发展。电子功能材料和磁性功能材料的发展渗透于现代科技的方方面面。比如,铁电材料被广泛应用于传感器技术,可被用于计算机的铁电随机存储器;磁性材料被广泛应用于信息记录和存储的磁存储器。随着器件的小型化,人们越来越寄希望于把电和磁性质整合到多功能器件中。多铁性材料就是这样一种多功能型的材料,它集铁电性和磁性于一体,它不但同时具有单一铁电材料和磁性材料的特性,而且具有潜在的磁电稱合效应即电极化和磁化之间的相互调控。利用多铁性材料的磁电稱合,可以实现电场控制材料的磁性或磁场控制材料的铁电性,从而为新颖器件的设计提供新的自由度。传统存储器中,磁存储器读取速度非常快但写入慢,铁电存储器写入速度快但读取数据复杂。利用多铁性材料作为信息记录介质,可以磁读电写,从而实现超高速率的读/写过程。另一方面,利用多铁性材料的磁电耦合,可实现多态存储并大幅度地提高存储密度。多铁性材料有可能成为全新的信息存储介质,是下一代新型电子学器件的理想材料。 多铁性研究是国际材料科学及凝聚态物理中的一个具有悠久历史的课题。法国物理学家 Curie P 早在 1894 年就预言了磁电效应的存在，揭开了磁电作用研究的序幕。1959 年 Landau 和 Lifshiz 根据群论的方法从理论上首先证实了磁电效应的存在，指出一个磁电系统的自由能可以表示为 对自由能微分可以得到电极化和磁化为： 其中Pis和Mi分别是材料的自发极化和自发磁化。张量αij 对应着电场诱导的磁化或磁场诱导电极化的线性磁电耦合效应，是一个3 × 3的磁电系数张量，而上式中后面省略的项则对应于高阶的磁电耦合效应。 2多铁性材料 2.1多铁性材料的定义 多铁性材料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,这些铁的基本性能包括铁电性、铁磁性和铁弹性。现在研究最多的便是铁电和铁磁共存的多铁性材料。多铁性材料意味着:在有外加磁场时,能产生一种可以重排的自发磁化;在有外加电场时,能产生一种可以重排的自发极化;在有外加应力时,能产生可以重排的自发形变。 2.2磁电耦合效应 磁电效应是指电极化与磁化之间相互调控,即磁场H可以诱发电极化P,反之,电场E可以诱发磁化M。 1961 年前苏联科学家 Astrov 等人首次在低温下观测到 Cr2O3晶体中的线性磁电作用对温度的依赖关系，证明了磁电效应的存在。为了更好解释 Cr2O3中的磁电现象，评估宏观的磁电耦合系数，Rado 运用统计力学的方法也研究了该系统中的线性磁电效应，而 Horneich 和 Shtribman 则考虑外电场对不同类型的磁性有序的驱动，认为单离子各向异性、对称和反对称交换、偶极作用、塞曼能等作用在外场诱导下的变化。 另外，Gehring和 Popov等运用量子力学理论描述了反铁磁有序系统中外电场诱导产生的感应磁偶极矩。当然这些早期理论主要研究的是由外电场诱导的系统磁性的变化，而系统本身固有的或内禀的铁电和铁磁有序耦合所引起的磁电效应，即本征磁电耦合效应也能改变系统的磁性质和介电性质，实验证实这种耦合所引起的磁电能比外场引起的磁电能要强得多。而且外电场对系统磁性性质的改变或外磁场对系统极化性质的改变也应该通过内禀的磁电耦合实现，不过专门对内禀磁电耦合的研究在当时却很少。而在实验方面由于晶体的磁电效应很弱，虽然在随后的十多种不同系列（如钇铁石榴石、硼酸物、稀土铁酸盐、磷酸盐）的单相材料中也发现了磁电效应，但终究因为其磁电作用较弱不足以实用，使得单项多铁磁电材料的研究一直处于缓慢的发展阶段。因为那些颇具诱惑力的新一代存储器件和其它多功能器件的设计和应用都需要较强的磁电耦合作用，而天然的单相材料所表现出来的磁电效应存在的耦合作用弱，且大都在远低于室温下才同时具有铁电和铁磁性的特点，使得人们觉得这种磁电效应研究的实用意义不是很大。磁电效应的研究处于暂时的缓慢发展阶段。近几年许多研究者致力于用掺杂、制备超晶格、复合薄膜等手段来提高这些单相或复合多铁化合物的性能，希望能在室温下实现铁电性和铁磁性的共存耦合达到较强的磁电效应，以求能找到性能最佳、经济实用的制备途径和材料。 通常,多种有序态的共存引起材料中新的_合作用,从而衍生出许多新奇的磁电物理现象。