磁電多鐵性材料是指同時具有磁有序與電化有序的一類多功能材料，利用兩種有序的共存和相互耦合，可以實現磁場調控電化或者電場改變磁性質。多鐵性材料作為具有重要應用前景的自旋電子學材料體系獲得了廣泛研究，有望用于實現下一代信息存儲器、可調微波信號處理器、超靈敏磁電傳感器等領域。而實際應用要求材料同時具備大的電化強度以及強的磁電耦合效應，且這種兼容性在以往的單相多鐵材料中很難存在。因此，尋找兼具這兩種優異性能的單相多鐵性材料是十分迫切但又具挑戰的科學問題。
近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理實驗室龍有文研究員(Quantum Design公司用戶)團隊，利用特的高溫高壓技術，次成功制備了具有A位有序鈣鈦礦結構的BiMn3Cr4O12體系，并罕見地發現該單相材料同時具備大電化強度以及強磁電耦合效應。
圖1 BiMn3Cr4O12的一系列磁電測試結果(a)磁化率及其居里-外斯定律擬合;(b)比熱與介電常數;(c)熱釋電與電化強度;(d)磁化曲線;(e)低溫熱釋電;(f)低溫電化強度
通過磁化率、磁化強度、比熱、介電常數、電化強度、電滯回線、高分辨電鏡、同步輻射X光衍射與吸收譜、中子衍射等一系列綜合結構表征與物性測試，龍有文團隊發現，隨著溫度降低，BiMn3Cr4O12在135 K經歷了一個鐵電相變，在該鐵電相變溫度以下可觀察到顯著的電滯回線，并導致大電化強度的出現。
圖2 BiMn3Cr4O12不同溫度下的電滯回線，展示了大電化強度
當溫度降低到125 K時，BiMn3Cr4O12經歷了一個反鐵磁相變，中子衍射證明該反鐵磁轉變源于B位Cr3+離子的G-型長程反鐵磁有序，而A'位的Mn3+離子仍未形成磁有序。在125 K以下，長程磁有序與鐵電化共存，但該反鐵磁序不能誘導電化相變，因此材料進入到具有大電化強度的類多鐵相(電化強度可能會比較大，但磁電耦合很小)。
圖3 磁場對BiMn3Cr4O12電化的調控，展示了強的磁電耦合效應
當溫度繼續降低至48 K時，A'位的Mn3+離子也實現G-型長程反鐵磁有序，并且A'位Mn3+離子與B位Cr3+離子一起組成的自旋有序結構導致化磁點群的形成，可以打破空間反演對稱性。因此，48K時的反鐵磁相變誘導另一個鐵電相變，伴隨強的磁電耦合效應的出現，此時材料同時呈現第二類多鐵相(材料具有較強的磁電耦合，但電化強度往往很弱)。由此可見，低溫下BiMn3Cr4O12既包含類多鐵相又包含第二類多鐵相，從而大的電化強度與強的磁電耦合效應在這一單相多鐵材料中同時實現，突破了以往這兩種效應在單相材料中難以兼容的瓶頸，大大推進多鐵性材料的潛在應用。
相關研究結果于近期發表在Adv. Mater. 29, 1703435(2017),并被該期刊選為Inside Cover。該工作獲得了國內外同行的廣泛合作，同時獲得了科技部、自然科學基金委、中國科學院等項目的支持。
文章來源：(中國科學院物理研究所 | 北京凝聚態物理實驗室，終解釋權歸中國科學院物理研究所 | 北京凝聚態物理實驗室官網所有)
