多铁性材料研究进展及发展方向.PDF

中国科学: 技术科学 2015 年 第45 卷 第4 期: 339 ~ 357 《中国科学》杂志社 评 述 SCIENCE CHINA PRESS 多铁性材料研究进展及发展方向 南策文* 清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室, 北京 100084 * E-mail: cwnan@ 收稿日期: 2014-10-19; 接受日期: 2014-11-25 中国科学院学部学科发展战略研究项目资助 摘要 多铁性材料同时具有铁电、(反)铁磁、铁弹等两种或两种以上铁性有序, 并且由于 关键词 多种序参量之间的相互耦合作用而产生新的效应. 这类功能材料在新型磁电器件、自旋电子 磁电耦合 器件、高性能信息存储与处理等领域展现出巨大的应用前景. 同时, 多铁性耦合的物理内涵 单相多铁性 复合多铁性 涉及到电荷、自旋、轨道、晶格等凝聚态物理多个范畴, 已成为国际上一个新的前沿研究领 异质结构 域. 本文回顾了多铁性材料的研究历史, 分别就单相多铁性和复合多铁性材料的主要研究 磁电子器件 趋势做了系统性总结, 尤其就目前有待解决的关键科学问题、未来发展方向等进行了讨论和 展望. 1 多铁性材料简介与研究历史 生铁磁性, 磁化M 可由磁场H 来调控. 而在多铁性材 料中, 不仅同时具备P-E 和M-H 特性, 而且还存在磁- 1.1 多铁性材料与磁电效应 电交叉调控效应, 即可以通过磁场 H 调控电极化 P 铁电/压电材料是一类电介质功能材料, 在传感、 或者电场E 调控磁化M( 图1). 驱动、信息存储等领域占据重要地位, 形成“铁电物 理学”等学科. 磁性材料更是涉及面广, 特别是在信 息存储中仍占主导地位, 磁存储技术的发展产生了 “自旋电子学”等新兴学科. 通常, 铁电/压电材料是 电绝缘的, 而磁性材料是导电的, 因而两类材料通常 是不兼容的, 分属两个不同的独立领域. 多铁性材料 则是将这两类不同的特性集于一身, 呈现铁电、(反) 铁磁、铁弹等两种或两种以上铁性有序共存, 更为重 要的是, 由于多种序参量之间的相互耦合作用会产 生新的效应, 例如, 铁电/ 压电与磁性耦合产生磁电 效应, 即: 材料在外磁场作用下产生电极化, 或者外 电场调控磁性能. 在铁电材料中, 电荷有序产生铁电性, 自发电极 化P 可由电场E 来调控; 在铁磁材料中, 自旋有序产 图1 多铁性材料磁电效应示意图 引用格式: 南策文. 多铁性材料研究进展及发展方向. 中国科学: 技术科学, 2015, 45: 339–357 Nan C W. Research progress and future directions of multiferroic materials (in Chinese). Sci Sin Tech, 2015, 45: 339–357, doi: 10.1360/N092014-00413 南策文: 多铁性材料研究进展及发展方向 多铁性(磁电)材料是一种新型多功能材料, 不但 有不同的起源. 能用于单一铁性材料的应用领域, 更在新型磁- 电传 对于单相多铁性化合物, 铁电与磁性共存的机 感器件、自旋电子器件、新型信息存储器件等领域展 制目前可归结为顺磁离子掺杂、结构各向异性、非对