多铁磁电复合材料—功能材料领域的闪亮新星

在功能材料研究领域,人工复合的多铁磁电材料因具有室温环境下特殊的磁电性能——铁电有序和铁磁有序共存及"磁-力-电"转换特性(磁电耦合效应),在磁传感器、换能器、微波器件、存储器等方面有着十分诱人的实用价值与应用前景。本文在回顾多铁磁电复合材料背景知识的基础上,重点介绍磁电复合材料磁电耦合机理、设计原理、制备方法与研究现状、理论分析方法与磁电效应表征方法相关内容,最后总结、展望多铁磁电复合材料未来研究中的一些重要问题。     

多铁材料

正多铁性材料同时具有铁电、反铁磁等多种铁性序,不同序参量间耦合作用可产生磁与电间的交叉调控,有望实现铁电性与磁性集成的新一代多功能器件,如新型磁电传感器件、自旋电子器件、高性能信息存储器件等。研究新一代多铁性磁电材料中各种相互作用和有序规律,利用材料基因组计划发现新的量子现象和调控方法,不仅是材料和物理学科自身发展的需求,并可能成为今后对人类社会经济发展有重大影响的基础科学问     

多铁性异质结研究进展

多铁异质结中的磁电耦合效应是凝聚态物理和材料物理的研究热点之一.相比单相的多铁材料,多铁异质结中界面处的自旋、电荷、轨道以及晶格之间存在着复杂的相互作用,导致出现一些新的物理现象,使得其在新一代的存储器、传感器、微波等领域中具有重要的应用前景.文章介绍近年来在多铁异质结方向取得的进展,着重介绍实现电场对磁性控制的场效应、应变效应、交换偏置效应等,以及磁场对多铁性的调控,从而获得很大的磁电耦合效应;分析了多铁隧道结及其磁电耦合效应,其集成了传统铁电隧道结和铁磁隧道结的优势,可大幅度提高单个存储单元存储状态,从而提高存储密度.最后提出当前面临的问题和对未来的展望.     

利用不同沉积温度和衬底控制压电/压磁异质结的磁电耦合系数

以生长在不同电极衬底:MgO,c-sapphire,a-sapphire,Si上的钙钛矿PbTiO3(PTO)/Terfenol-D压电/压磁异质结为例,利用唯象热力学理论研究了热应力对压电/压磁异质结磁电耦合效应的影响.计算结果表明,铁电薄膜内的热应力强烈依赖于薄膜沉积温度与衬底、薄膜之间热膨胀系数的差异,而热应力又显著影响磁电耦合性能.对于热膨胀系数大于薄膜材料的衬底,如MgO,铁电薄膜内的热应力为压应力,导致压电/压磁异质结的磁电电压系数增强;对于热膨胀系数小于薄膜材料衬底,如c-sapphire,a-sapphire,Si,铁电薄膜内热应力为拉应力,导致压电/压磁异质结的磁电电压系数减小.研究提出了通过改变沉积温度以及选择合适衬底来调控压电/压磁异质结磁电耦合效应的新思路,为工程上增强压电/压磁异质结磁电耦合性能提供了新的途径.     

钙钛矿型铁电薄膜结构及性能的应变调控

铁电薄膜具有铁电、压电、热释电、光伏效应等多种特性,在换能器、驱动器、传感器、能量收集器、太阳能电池等功能器件中具有广阔的应用前景.铁电薄膜沉积在衬底上,其性能与衬底的约束引起的应变密切相关.如何利用衬底调控铁电薄膜的应变,进而调控其极化状态,是显著提高其性能的关键.综述了近年来利用应变工程调控铁电薄膜性能的研究进展及需要解决的问题.     

多铁和磁电材料的第一性原理研究（英文）

多铁材料是一类由自旋、电荷、晶格和轨道等多种自由度的相互作用引起的具有2种或者2种以上铁序的功能材料.近年来关于多铁性的报道屡见报端杂志,表明越来越多的研究人员关注着这一领域的研究进展.在这些研究成果中,第一性原理研究在解释实验观测,发现新物理机制和预测新型多铁、磁电材料方面都扮演着先锋角色.本文回顾了第一性原理在材料领域,尤其是多铁性、磁电效应和隧道结研究中的广泛应用和主要成果.结合最近发展的理论研究方法,例如选择性轨道加场法,评述了这些手段在解释多铁和磁电材料中奇异物理现象方面的有效性.由于电控磁性是多铁领域和自旋电子学领域追求的共同目标,因此总结了第一性原理研究在电控磁性方面所取得的成果.最后,本文概述了多铁和磁电材料在实际应用中亟待解决的问题,并且着重展望了若干种利于解决多铁和磁电材料领域实际问题的研究方法.本文通过深入探讨过渡金属氧化物中的铁电起源以及多铁体中铁电性和磁序的共存现象,期望能有益于新型多铁和磁电材料的探索.     

复合相多铁性陶瓷(1-x)BaTiO3-xCoFe2O4的制备和性质

为研究复合相多铁材料中的磁电耦合并寻找同时具有良好铁电性和磁性性质的复合相多铁性材料,采用固态反应法,制备了(1-x)BaTiO3-xCoFe2O4系列复合多铁性陶瓷.通过分析性质和成分之间的依赖关系,在实验上发现,在x=0.3附近,陶瓷表现出较好的室温铁电、压电和磁性性质,相关的铁电剩余极化值为4.5 μC/cm2,压电导数和机电耦合系数为73 pC/N和0.16,剩余磁化强度为6.7 emu/g.并且,在实验上观察到磁电耦合效应对宏观电、磁性质的影响.     

二维极性材料的理论设计

最近几年,实验上已经获得了稳定的本征二维铁磁、铁电材料。二维铁性材料由于其新奇的物理性质和在纳米器件中潜在的应用价值而广受关注。随着第一性原理计算方法的发展,从理论角度预测和设计新材料加速了对二维铁性材料的研究。文章重点介绍了课题组在二维极性材料的理论设计方面的若干工作,其中包括:1)在单层过渡金属卤化物中引入点缺陷破坏体系空间反演对称性,可以有效提高磁转变温度,实现磁电共存;2)设计了一种强磁电耦合且转变温度可达室温的二维第二类多铁材料;3)预测了由铁电模式和反铁电模式竞争导致的二维非共线本征亚铁电,研究了其新奇的Z2×Z2铁电畴壁和负压电性质。这些工作对之后的二维极性材料的理论设计和实验探索具有一定的参考价值。     

磁电复合振子PbZr_(0.48)Ti_(0.52)O_3/Tb_(0.3)Dy_(0.7)Fe_(1.92)的电容型磁阻抗效应

谐振频率及阻抗匹配是压电换能器中十分重要的参数.基于压电陶瓷圆环Pb Zr_(0.48)Ti_(0.52)O_3(PZT)和磁致伸缩材料铽镝铁Tb_(0.3)Dy_(0.7)Fe_(1.92)(TDF)构成"环-环"磁电复合振子,实验研究磁场作用下,由磁电复合振子的有效介电常数变化引起的电容型磁阻抗以及磁控谐振频率偏移效应.实验结果显示,谐振频率和反谐振频率下的磁阻抗可达18%、32%;当磁场为800 m T时,谐振及反谐振频率的最大偏移量约为9 k Hz.利用复合材料的磁-力-电耦合效应,对电容型磁阻抗及磁控谐振频率偏移进行了理论分析.本研究为解决压电换能器谐振频率的漂移问题及阻抗匹配提供了实验及理论基础.     

六角多铁HoMnO3的磁电性质及其研究进展

六角HoMnO3材料是近年来多铁性磁电材料研究中一个极其重要且具有代表性的材料.文章全面概述了多铁材料HoMnO3的磁电性质以及近年来国内外的相关研究进展,包括HoMnO3的低温自旋交换作用、磁性相变、外加电场诱导的磁化改变、铁电极化机理以及由于磁弹、自旋晶格耦合、自旋声子耦合作用导致的巨磁电效应等.重点评述了HoMnO3材料磁电效应产生的物理机制,在此基础上,讨论了应用过程中存在的问题,提出了解决的可能途径.     

“功能材料的微结构设计调控与性能研究”学术创新团队简介

<正>上海师范大学"功能材料的微结构设计调控与性能研究"学术创新团队建立于2011年,以光电子材料与器件重点实验室为依托,主要研究方向有:功能材料微结构设计与调控机理;功能材料表面纳米结构设计;环境友好铁电、压电材料的结构设计、调控;电性能及透     

南京大学国家杰出青年科学基金获得者介绍

刘俊明　教授　　刘俊明博士 196 4年12月出生于湖北大冶县 ,l989年底毕业于西北工业大学 ,获得工学博士学位 ,后来南京大学师承闵乃本院士从事博士后研究。现系南京大学物理系教授 ,固体微结构物理国家实验室副主任。近年来主要从事介电体物理和钙钛矿氧化物物理学方面研究工作 ,1997年获得“国家杰出青年基金”并先后参与和主持承担了国家自然科学基金重大与一般项目、国家“973”项目等多项课题 ,在铁电压电薄膜制备及相关物理效应、非线性光学薄膜制备、集成铁电学与微电力系统原型器件、庞磁电阻锰氧化物薄膜制备及低场磁电阻增强、自…     

无铅压电陶瓷研究进展

无铅压电陶瓷的研究和开发是当前压电铁电材料领域的研究热点之一.综述了Bi0.5Na0.5TiO3基、K1-xNaxNbO3基、铋层状结构、钨青铜结构及BaTiO3基5类无铅压电陶瓷的研究进展,分析和评价了陶瓷体系、改性方法、制备工艺及陶瓷的压电铁电性能,重点讨论了Bi0.5Na0.5TiO3基与K1-xNaxNbO3基无铅压电陶瓷的体系构建、相变特性及电学性能的温度稳定性等关键科学和技术问题,并就无铅压电陶瓷今后的研究开发提出了几点建议.     

压电和声波理论及器件技术

正2015年全国压电和声波理论及器件技术研讨会(2015 Symposium on Piezoelectricity,Acoustic Waves,and Device Applications,SPAWDA2015)于2015年10月30日~11月2日在山东济南召开。会议由中国力学学会(CSTAM)、中国声学学会(ASC)和IEEE超声、铁电体与频率控制学会(UFFCs)主办,山东大学晶体材料国家重点实验室和物理学院联合承办。会议议题包括:压电和铁电材料(陶瓷、晶体、薄膜和微纳米等)、压电理论(包括微纳米压电理论)、声波理论(表面波和声体波等)、压电器件设计与分析(谐振器、传感器、换能器、MEMS/NEMS等压电器件)、超声学、压电器件的加工与制造技术(包括     

铁电/铁磁复合材料的制备及研究进展

铁电/铁磁复合材料是一种新型的功能材料,不仅集合了铁电性和铁磁性的优点,而且具有磁电耦合效应,因此具有十分广泛的应用前景.本文系统介绍并评述了铁电/铁磁复合材料的磁电效应、制备方法以及研究的现状,探讨了铁电/铁磁复合材料研究中亟待解决的问题及发展趋势.     

压磁-压电复合材料的磁电-力学行为研究进展

压磁-压电复合材料是一种新型的多功能材料,兼具压电性和压磁性,磁电耦合效应远高于单相材料。综述了磁电复合材料的磁电-力学行为与特征,主要分析方法包括等效电路法、格林函数法、有限元分析法和状态空间法,并讨论了磁电复合材料中的缺陷影响。     

压电/压磁条环磁电复合材料的逆磁电效应

研究了压电/压磁条环磁电复合材料在弯曲谐振频率下的逆磁电效应(CME),其中压电材料为锆钛酸铅(PZT),压磁材料为镍锌铁氧体(NiZn ferrite).由于PZT与镍锌铁氧体环之间的机电耦合,该磁电材料在一阶弯曲谐振频率和一阶纵向谐振频率处的逆磁电系数明显大于非谐振频率处的逆磁电系数.在一阶弯曲谐振频率下,该磁电材料在H=190 Oe、E=200 V/cm测得较大磁感应强度(B_m≈2.13×10~(-5)G).B_m在-130 OeH130 Oe间呈现的磁滞现象源于镍锌铁氧体环压磁效应和PZT铁弹效应的共同作用.在H=0 Oe、±50 Oe,利用不同变化趋势下的磁场及周期性通断的交流信号实现了三稳态磁感应强度的转换.     

磁电耦合对于铁电磁系统的磁性关联的影响

铁电磁系统具有在低温下铁电有序和(反)铁磁有序自发共存的特征,存在内禀的磁电耦合效应.利用了铁电软模理论和基于海森堡模型的平均场近似理论,分别研究了磁电耦合对铁电、铁磁有序共存系统和铁电、反铁磁有序共存系统的磁性质的影响.结果发现在一定的外磁场条件下,无论是铁电、铁磁有序共存的系统还是铁电、反铁磁有序共存的系统,磁电耦合都相当于一个虚拟的外磁场,且系统的铁磁性关联会随着耦合常数的增加而增加.     

应力作用对复合型多铁性材料BaTiO3-Fe磁电效应的影响

多铁性材料（multiferroic）是一种同时拥有铁电和铁磁性质的特殊功能型材料.室温下具有多铁性的单一化合物十分少见,但理论计算发现在铁电体（如BaTiO3,BTO）和3d过渡金属（如铁）的复合结构中存在较强磁电效应,这就为新型多铁性材料的寻找和制备揭示了新方向.用第一性原理方法,通过计算该类复合薄膜在不同应力作用下磁电效应的变化来揭示其铁电铁磁相互作用的机制.     

弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅研究前沿

弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅[(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-xPT)]具有非常优异的机电性能,吸引了诸多科研领域的学者,从基础理论与实际应用等方面开展了研究工作。该文从PMN-xPT单晶的准同型相界、全矩阵宏观机电系数、光学与声学性能等方面,系统评述了此体系铁电材料相较于传统铁电材料的特色,介绍了PMN-xPT单晶在国内外相关研究领域的研究进展及发展方向。理论计算与实验结果表明,PMN-xPT单晶有望极大地提高医学超声波换能器、水声换能器、声表面波机电器件等的频带宽度、灵敏度及图像分辨率等性能。