多铁性材料及其研究进展

铁电材料的研究热点摘要：铁电材料具有优秀的电学性能，其电子元件集成度高、能耗小、响应速度快。

目前研究者将铁电材料同其它技术相结合，使新诞生的集成铁电材料性能更为优秀。

本文介绍了有压电材料、储能用铁电介质材料、有机铁电薄膜材料、多铁性材料、铁电阻变材料的研究状况。

关键词：铁电；压电材料；铁电储能；有机铁电薄膜材料；多铁性材料；铁电阻变1 铁电材料的研究背景铁电体早在20世纪40年代就引起物理学界的关注，但由于大快铁电晶体材料不易薄膜化，与半导体和金属不相兼容，使其未能在材料和信息领域扮演重要的角色，随着薄膜技术的发展，克服了制备高质量铁电薄膜的技术障碍，特别是能在不同衬底材料上沉积高质量的外延或择优取向的薄膜，使铁电薄膜技术和半导体技术的兼容成为可能。

由于人工铁电材料种类的不断扩大，特别是铁电薄膜技术和微电子集成技术长足发展，也对铁电材料提出了小型化，集成化等更高要求，正是在这样的研究背景下，传统的半导体材料和陶瓷材料结合而形成新的叫交叉学科——集成铁电学（Integrated Ferroc-Icctrics）出现了，并由此使铁电材料及其热释电器件的研究开发呈现了两个特点：①是由体材料组成的器件向薄膜器件过渡；②是由分立器件向集成化器件发展。

集成铁电体是凝聚态物理和固态电子学领域的热门课题之一。

铁电材料有着丰富的物理内涵，除了具备铁电性之外，还具有压电性、介电性、热释电性、光电效应、声光效应、光折变效应以及非线性光学效应等众多性能，可用于制备电容器件、压力传感器、铁电存储器、波导管、光学存储器等一系列电子元件，铁电材料因其广阔的应用前景而倍受关注。

目前的铁电器件往往仅单独用到了铁电材料中的单一性能，如压电性或者热释电性。

将铁电材料中的性能综合在一起或者将铁点技术同半导体等其他技术结合在一起的集成铁电材料有着更为强大的功能。

铁电材料的研究进展主要包括[1]：①提高现有材料的单一性能，儒压电材料中准同型相界以及合适的晶格取向会大幅度提高压电系数。

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我国多铁性材料及原型研究取得新进展
作者：Mary
来源：《今日电子》2013年第06期
多铁性材料同时具有铁电、（反）铁磁等多种铁性有序，由于其独特的磁电耦合效应，在新型磁电传感、高性能信息存储等领域有广泛的应用前景。

近日，中国科大李晓光教授研究组成员董思宁博士后研究员、殷月伟助理研究员在相关领域取得了重要进展。

在多铁性新材料探索方面，董思宁博士与中国科学院物理所李建奇研究员研究组合作，设计并合成出一种具有室温多铁性的Bi4.2K0.8Fe2O9+6单晶纳米带新材料，该材料同构于高温超导体材料Bi2Sr2CaCu2O8+6，具有不同于过去已知多铁性材料的结构特点。

该晶体在c轴方向上由结构上类似铁酸铋的钙钛矿层和绝缘性好的盐岩层交替排列而成，所以具有天然的磁电介电超品格结构，并在室温下表现出显著的磁电耦合效应。

这种新型结构的多铁性纳米材料可能有助于构建微型磁电器件。

在多铁性原型器件研发方面，殷月伟博士取得了突破性进展。

与美国宾州州立大学的李奇教授研究组、纳布拉斯卡大学的E.Y.Tsymbal教授研究组等合作，设计并制备了基于多铁性界面磁电耦合的La0.7SF0.3MnO3/La0.5Ca0.5MnO3/BaTiO3/La0.7Sr0.3MnO3隧道结，通过改变BaTiO3
势垒层的铁电极化方向，可以调控处于铁磁金属反铁磁绝缘相界处的La0.5Ca0.5MnO3的空穴浓度，使其发生金属绝缘体转变，从而显著调控铁电隧道结的隧穿参数，使得隧穿磁电阻效应提高近两个数量级。

同时，该器件由于铁磁、铁电的共存而表现出四重阻态特征，能够极大地提高非易失的存储密度。

此工作可能有助于非硅基电子器件性能的增强和改善。

缺铁性贫血的健康教育缺铁性贫血是体内贮存铁消耗殆尽、不能满足正常红细胞生成的需要而发生的贫血。

铁是人体必需的微量元素之一，它不仅参与血红蛋白的合成，还是人体其他生理过程中必不可少的“角色”。

缺铁性贫血可影响患者的身体健康及工作能力，如不及时治疗，将会导致体内含铁酶活性降低，引发各个系统的病理改变。

因此，缺铁性贫血的健康教育非常重要。

一、合理饮食合理的饮食是预防和治疗缺铁性贫血的关键。

首先，要增加富含铁元素的食物，如动物肝脏、瘦肉、蛋黄、豆类、坚果等。

其次，要注意饮食的多样性，多吃富含维生素C的水果和蔬菜，如柑橘、草莓、猕猴桃等，以促进铁的吸收。

同时，要避免过量摄入高脂肪、高纤维的食物，以免影响铁的吸收。

二、定期检查定期进行血常规检查可以及时发现缺铁性贫血。

对于女性、青少年、老年人等易患人群，尤其要注意定期检查。

如果发现有贫血症状，应及时就医。

三、补铁治疗如果确诊为缺铁性贫血，应在医生的指导下进行补铁治疗。

常用的补铁药物有口服和注射两种，具体使用方法需根据病情遵医嘱。

在补铁治疗期间，应定期检查血常规，观察治疗效果。

四、生活调理1、多休息：贫血患者应避免过度劳累，保证充足的休息时间。

2、适量运动：适量的运动可以增强体质，提高免疫力。

但应注意不要进行剧烈运动，以免加重病情。

3、保持良好的心态：保持良好的心态有利于身体的恢复。

4、注意保暖：贫血患者应注意保暖，避免受凉感冒。

5、个人卫生：保持个人卫生可以预防感染等疾病的发生。

6、饮食卫生：注意饮食卫生可以避免食物中毒等问题的发生。

7、避免接触有害物质：如油漆、农药等有害物质可能会加重病情或导致病情反复。

因此，贫血患者应尽量避免接触这些有害物质。

儿童缺铁与缺铁性贫血课件课件计算机网络技术基础期中考试及答案一、选择题1、在计算机网络中，传输速率指的是每秒传输的二进制位数，以下传输速率最快的是（）。

A. 10 MbpsB. 10 GbpsC. 100 MbpsD. 1000 Mbps正确答案是：B. 10 Gbps。

165科技展望TECHNOLOGY OUTLOOK中国航班CHINA FLIGHTS摘要：近年来，对新一代高性能电子功能器件的需求越来越大，多铁性材料因为其优良的性能被高度重视。

文中，主要就对杂化非本征铁电体Ca 3Mn 2O 7的研究进展进行了综述。

关键词：杂化非本征铁电体；高性能电子功能器件；多铁性材料一、研究背景近十几年来，由于对新一代高性能（低能耗、高存储密度、高读写速度）电子功能器件的需求，多铁性材料特别吸引人们的关注。

多铁性材料最大的特点是同时具有铁电特性、铁磁特性和铁弹特性中的两种或三种，并且这三者之间具有耦合的特征，即可以实现铁电、磁性或弹性形变之间的互相调控[1]。

多铁材料的这一特性可以应用于新一代的信息存储器，将电存储的写入速度快与磁提取的读出速度快之优点结合起来，实现电写入和磁读出，提高信息存储速度。

因此，这类多铁物质一旦用于信息数据的处理和存储，可能会引发新的技术革命的出现，满足人们对新型存储器的更高需求[2-4]。

近年来，国内外的科研人员对多铁领域的研究工作主要是关注于耦合机理的研究和新型多铁物质体系的探索[5,6]。

因为不同的多铁体系中的极化起源皆有差异，以至于很难获得统一的耦合机制[7,8]。

依据相变过程中序参量特征铁电体可以分为本征铁电体和非本征铁电体。

在本征铁电体中，铁电-顺电相转变的主要驱动力是铁电极化、且通常和电子对特性有关。

例如代表性的铁电化合物BaTiO 3（非多铁材料）的铁电极化之起源为氧原子与3d 0过渡族金属离子之间的共价键极化。

另代表性化合物为BiFeO 3，Pb(Fe 2/3W 1/3)O 3， Pb 2+或Bi 3+离子中的6s 2孤对电子是它们的极化起源[9,10]。

然而在非本征铁电体中，铁电极化并不是相变过程中的主要序参量，它们的极化只是晶格畸变或某种其它有序态的副产物。

例如，近几年备受关注的几何铁电体[11]，以六角RMnO 3类化合物为典型代表，其中的R 是稀土元素。

多铁材料在电子器件中的应用研究近年来，多铁材料作为一种具有磁性和铁电性的特殊功能材料，在电子器件领域引起了广泛关注和研究。

多铁材料具备同时具备磁性和铁电性的特点，其在电子器件中的应用具有广阔的前景和潜力。

本文将探讨多铁材料在电子器件中的应用研究现状和发展趋势。

首先，多铁材料在存储器件方面具有重要应用。

传统的存储器件通常采用磁性或电性材料进行存储，而多铁材料具备同时具备磁性和铁电性的特点，可以实现同时存储磁性和电性信息。

通过调控材料的磁性和铁电性能，可以实现存储器件的高密度、高速度和低功耗等优势。

多铁存储器件的应用研究已取得一定进展，但仍存在一些挑战，如材料的稳定性和可控性问题。

未来的研究将侧重于材料的设计和制备工艺的优化，以实现多铁存储器件的商业化应用。

其次，多铁材料在传感器方面也具有广泛的应用前景。

多铁材料可以通过磁场、电场或应变等外界刺激来改变其物理特性，从而实现对环境变化的感知和响应。

以磁性传感器为例，通过引入磁性多铁材料，可以实现对磁场变化的灵敏检测和高精度测量。

同时，多铁材料还可以应用于压力传感器、温度传感器等领域，以实现对压力、温度等参数的高灵敏度检测。

多铁材料在传感器领域的研究还处于起步阶段，未来的发展方向包括材料性能的优化、器件结构的设计和测量系统的完善等。

另外，多铁材料也在能源器件中显示出巨大的潜力。

例如，多铁材料可以应用于超级电容器、锂离子电池、太阳能电池等领域，以实现能量存储和转化的高效率和高性能。

多铁材料具备良好的电化学、光电化学和热电性能，可以通过调控材料的能带结构和界面性质来提高能源器件的性能。

目前，多铁材料在能源器件领域的研究主要集中在材料的合成和表征，未来的工作将侧重于多铁材料在器件中的应用性能和稳定性的研究。

最后，多铁材料在电子器件中还有其他一些应用，如天线、超频元件、声波传感器等方面。

多铁材料的独特特性使其具备优异的电磁、声学和光学性能，可以应用于无线通信、雷达、声学器件等领域。

多铁性隧道结磁电输运的轨道效应多铁性材料是具有多种铁电、铁磁及多铁耦合性质的特殊材料。

它们在磁性和电性方面具有极高的响应灵敏度，可以通过调控外加电场或磁场来实现磁矩的控制和调节。

随着纳米技术的发展，多铁性材料已成为研究的热点，其潜在应用范围涉及传感器、储存器件和自旋电子学等领域。

然而，多铁性材料在磁电输运方面的研究相对较少。

研究人员发现，通过调节多铁性材料的晶格结构和化学组成，可以引入轨道效应，从而产生新的磁电输运机制。

轨道效应是指电子自旋和轨道磁矩在晶格中相互作用的结果。

在多铁性材料中，轨道效应可以通过晶格畸变、晶格缺陷和界面效应等途径引入。

例如，通过曲率引起的晶体内部畸变可以打破晶体的空间对称性，进而影响电子的轨道运动。

此外，多铁性材料的晶格缺陷也可以引入轨道效应，如引入杂质或空位等。

在多铁性材料的界面上，由于晶格结构的不连续性，电子轨道和自旋会发生较大的改变，从而导致轨道效应的产生。

通过引入轨道效应，多铁性材料的磁电输运性质得以改变。

一方面，轨道效应可以改变材料的导电性质。

例如，轨道效应可以导致电子的能带结构发生变化，从而影响电子的传导行为。

另一方面，轨道效应还可以影响材料的磁性。

在多铁性材料中，由于轨道效应的存在，磁矩的方向和大小可以通过外加电场或磁场来调控，从而实现磁性的控制。

此外，轨道效应还可以影响多铁性材料的磁电耦合性质。

研究人员发现，通过引入轨道效应，可以改变多铁性材料的电磁响应特性，从而实现磁电耦合效应的调控。

例如，通过调节晶格畸变引起的轨道效应，可以改变多铁性材料的磁电耦合强度和磁电耦合系数。

通过合理设计和控制多铁性材料的轨道效应，可以实现磁电耦合效应的优化和增强。

综上所述，多铁性材料的磁电输运性质可以通过引入轨道效应来改变和调控。

轨道效应可以通过晶格畸变、晶格缺陷和界面效应等方式引入，从而影响材料的导电性质、磁性和磁电耦合性质。

通过对多铁性材料的轨道效应的研究，可以为实现高性能磁电输运器件的设计和制备提供有力的理论和技术支持。

金属铁电材料的研究及应用随着技术和科学的不断进步，人类对于材料科学的探索也越来越深刻。

在众多的材料种类中，金属铁电材料因其独特的性质而备受关注。

本文将围绕着金属铁电材料的研究和应用展开。

一、金属铁电材料的概念及特性金属铁电材料指的是在室温下具有铁电性质的金属材料，其性质是由摩尔比分子共价、离子键、金属化及杂质掺杂等因素共同决定的。

金属铁电材料具有独特的电学、热学、光学、磁学和结构性质，特别是其在电场作用下具有极化现象，从而产生电荷和电偶极矩。

此外，金属铁电材料还具有良好的机械性能、化学稳定性和可重复性等特点，因此被广泛应用于多个领域，如微电子技术、储能技术、传感器技术、光电传输技术和热电转换技术等。

二、金属铁电材料的研究进展（一）铁电材料的研究历程早在1920s，铁电现象就已被发现，但当时只有少数氧化物晶体具有这种性质。

随着科学技术的进步，铁电材料的种类和性质也逐渐被发现和研究。

1950年代后期，国外学者开始对化学成分丰富的铁电材料进行系统研究，如正交钙钛矿型铁电材料、铁电单晶、薄膜、纳米和多相复合材料等。

1980年代，铁电材料技术得到了广泛的应用，铁电非易失性存储芯片作为计算机存储器已经进入市场。

同时，国内外的学者也对铁电材料进行了广泛的研究，钛酸钡、钛酸锶和钛酸钡锶等铁电材料已成为重要的研究对象。

（二）金属铁电材料的研究现状近年来，金属铁电材料的研究与应用成为了热点。

其中，多铁性材料是目前研究的热点之一。

多铁性材料是指同时具有电极化和磁化存在，即在外界电场或磁场下发生相变。

该材料不仅具有良好的铁电性能和铁磁性能，还具有光学、声学和输运性能等多种电子性质。

此外，新型金属铁电材料如铁电卤化物和铁电二氧化钛纳米材料等也受到广泛关注。

铁电卤化物材料的结构简单，具有良好的铁电性能和储能能力，适用于表面电化学储能和太阳能电池。

而铁电二氧化钛纳米材料具有良好的热电性能和光催化性能，在太阳能电池、传感器和催化反应中有着广泛的应用前景。

Pr、Ho共掺杂多铁性材料BiFeO3的研究王舒民;熊建功;钟文灿;朱天扬;李永涛;李兴鳌【期刊名称】《化工时刊》【年(卷),期】2016(030)005【摘要】采用溶胶-凝胶法制备了Pr、Ho离子共掺杂下的PrxHo0.05Bi0.95-xFeO3(x=0.05,0.10,0.15)样品,并表征了其结构特征,磁性能和铁电性能.实验结果表明,随着Pr元素含量的增加,样品从菱方R3c空间群转变为四方P4mm空间群,后又转变为正交Pnma空间群.相比于Pr、Ho离子单掺杂的样品,两种离子的共掺杂进一步提高了样品的磁性.样品的铁电性没有随Pr3+掺杂含量单调变化,Pr3+也不利于抑制漏电流.【总页数】5页(P22-25,42)【作者】王舒民;熊建功;钟文灿;朱天扬;李永涛;李兴鳌【作者单位】南京邮电大学信息物理研究中心,江苏南京 210023;南京邮电大学电子科学与工程学院,江苏南京 210023;南京邮电大学信息物理研究中心,江苏南京210023;南京邮电大学信息物理研究中心,江苏南京 210023;南京邮电大学信息物理研究中心,江苏南京 210023;南京邮电大学信息物理研究中心,江苏南京 210023【正文语种】中文【相关文献】1.Ho,Co共掺杂BiFeO3的磁性及局域结构研究 [J], 李永涛;张会;郭会娟;邓森屾;包刚;董慧媛;陈伟;葛智勇2.Pb离子掺杂多铁性材料BiFeO3的铁电性研究 [J], 汪帅;李坤芳;方婷;王舒民;周小洪;苏宇;张玉亮;李永涛;李兴鳌;3.多铁性材料BiFeO3的掺杂改性研究进展 [J], 卢岩;解振海;何剑;李建康4.Pr和Co共掺杂BiFeO3结构和多铁性的研究 [J], 毛巍威;李永涛;李兴鳌;杨建平;金久伟;赵运;郑茗文5.多铁性材料 BiFeO3的高温铁电相转变研究进展 [J], 魏杰;徐卓因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

铋层状氧化物单晶薄膜多铁性研究进展翟晓芳;云宇;孟德超;崔璋璋;黄浩亮;王建林;陆亚林【摘要】室温单相多铁材料非常稀缺,磁性元素掺杂的铋层状钙钛矿结构Aurivillius相氧化物是一类重要的单相室温多铁材料,但由于缺少单晶类样品,这一类多铁材料研究主要是围绕多晶类块体或者多晶薄膜展开,它们的磁、电等性能研究大都采用宏观探测方式,因此这类多铁材料的多铁性机理研究进行得非常困难.近年来在高质量单晶薄膜的基础上,研究了多种磁性元素掺杂和不同周期结构的铋层状氧化物多铁单晶薄膜.这些单晶薄膜在室温下大都具有层状面面内方向的铁电极化,以及比较小的室温磁化强度,低温区存在第二个磁性相变.通过X射线共振非弹性散射实验发现元素掺杂会改变金属和氧原子之间的氧八面体晶体场的劈裂,能够增强铁磁性.另一方面,通过极化中子反射实验发现薄膜主体的磁化强度远小于通常探测的宏观磁化强度,说明单晶薄膜中磁的来源及其磁电耦合机理和多晶块体很可能是不同的.铋层状单晶薄膜的多铁性对未来继续改善这类材料的多铁性能有很好的指导作用.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)015【总页数】17页(P322-338)【关键词】铋层状氧化物;多铁;单晶薄膜;磁性【作者】翟晓芳;云宇;孟德超;崔璋璋;黄浩亮;王建林;陆亚林【作者单位】中国科学技术大学, 合肥微尺度物质科学国家研究中心, 合肥 230026;中国科学技术大学, 合肥微尺度物质科学国家研究中心, 合肥 230026;中国科学技术大学, 合肥微尺度物质科学国家研究中心, 合肥 230026;中国科学技术大学, 合肥微尺度物质科学国家研究中心, 合肥 230026;中国科学技术大学, 国家同步辐射实验室, 合肥 230026;中国科学技术大学, 国家同步辐射实验室, 合肥 230026;中国科学技术大学, 合肥微尺度物质科学国家研究中心, 合肥 230026;中国科学技术大学, 国家同步辐射实验室, 合肥 230026【正文语种】中文1 引言当某一种材料中同时出现两种或两种以上的铁性序,如铁电性、铁磁性、铁弹性等,且这些铁性序之间存在相互耦合时,我们称之为多铁性材料[1−3].在这类多铁性材料中,可以实现电场对材料的磁性能进行调控,和(或)磁场对材料的铁电性能进行调控.因其在量子多态存储等现代量子技术中的潜在应用价值,引起了科学工作者的广泛关注.多铁性物理最早开始于朗道的对称性破缺唯象理论,即时间反演与宇称反转对称性的双重破缺[4].之后近半个世纪的研究中,包含Cr2O3和Pb(Fe1/2Nb1/2)O3等在内的化合物,表现出来的磁电耦合都较弱,这段时期多铁性研究可以说是平淡无奇[5].2000年开始,Spaldin提出了“为什么磁性铁电体如此之少?”这一问题,敲开了多铁物理研究的复兴之门[6,7].Spaldin指出基于3d过渡金属的铁电性与铁磁性来源具有互斥性(通常铁电性要求3d轨道是空轨道,而铁磁性要求3d轨道是部分电子占据).2003年,Ramesh在BiFeO3薄膜上的研究工作引发了多铁性研究的热潮[8,9].BiFeO3,LuFe2O4和六角铁氧体以及锰酸盐等单相多铁性材料表现出了显著的研究价值[10−16],但通常它们需要低温环境.另一方面,复合型多铁材料,如庞磁阻锰氧化物和钛氧类铁电材料等复合在一起的异质结或者多层膜结构,在室温下具有较弱的磁电耦合性[6,17−22].因此,探索和发展新的室温多铁材料体系,对于拓展量子多功能材料体系、增强量子多功能复合及调控、发展新颖的量子调控和复合理论机理等具有重要意义.铋层状钙钛矿结构Aurivillius相氧化物是一类重要的铁电材料,其分子通式为由类萤石层和类钙钛矿层沿c轴方向交替生长形成,其中A=Bi,Pb,La,Sr等;B=Ti,Fe,Mo,W,Ta,Nb等;m表示单个晶胞内沿c轴方向类钙钛矿层的层数,其结构如图1如示.对Aurivillius相多铁性(2000年以前称之为磁电性)的研究,最早起源于20世纪50年代,因为磁性和磁电耦合太弱,其前50年的发展乏善可陈.2009年,我们研究团队将Fe,Co离子共掺入Bi4Ti3O12铁电母体材料后,获得了室温以上铁电、铁磁共存的Bi5Fe0.5Co0.5Ti3O15新材料,证明这类材料具有潜在的室温以上的多铁性能[23],并探测到了高于室温的磁电耦合性[24].这之后,铋层状类钙钛矿氧化物搭乘“多铁性物理复兴的便车”,迎来了科学研究的高峰.使用其他元素对Aurivillius相氧化物进行掺杂被证明也能提高其铁电/铁磁性能[25−28].虽然对Aurivillius相氧化物已经有大量的研究工作,但由于缺少单晶类样品,这些工作主要是围绕多晶类块体或者多晶薄膜展开,它们的磁、电等性能研究大都采用宏观探测方式,因此关于这类多铁材料的微观晶格、电子结构等涉及多铁性机理的研究,都进行得非常困难.图1 Aurivillius相铋层状类钙钛矿结构材料的结构示意图(其中示意了m=3的3层类钙钛矿层)Fig.1.The schematic of Aurivillius phase bismuth layer-structured material(the m=3 structured was adopted).2015年,我们制备出了多铁铋层状氧化物的单晶薄膜[29,30],使得从高质量样品出发研究其多铁性来源和机理成为可能.近年来,我们在高质量单晶薄膜的基础上,研究了多种磁性元素掺杂的多铁层状氧化物薄膜,包括Fe,Co,Ni,La的掺杂[29−32],以及不同周期结构的多铁薄膜(m=5,10)[30,33].发现这些单晶薄膜在室温下大都具有层状面面内方向的铁电极化,以及比较小的室温磁化强度(<0.5µB/单胞,本文的单胞均指代表分子式的结构单胞),低温区存在第二个磁性相变.通过X射线共振非弹性散射(RIXS),发现元素掺杂会改变金属和氧原子之间的氧八面体晶体场的劈裂,能够增强Dzyaloshinskii-Moriya相互作用,进而增强铁磁性[34].另一方面,通过极化中子反射(PNR),我们发现薄膜主体的磁化强度小于0.08µB/单胞,远小于通常探测的宏观磁化强度,说明单晶薄膜具有非常弱的铁磁性,因此单晶薄膜中磁和电的来源及其耦合机理和多晶块体很可能是不同的[35].本文总结了近几年我们课题组在铋层状氧化物单晶薄膜方面的最新研究进展.首先介绍了铋层状氧化物单晶薄膜的脉冲激光制备研究,包括通过优化温度、氧压以及衬底界面等方法,制备高质量的单晶薄膜;其次介绍了我们制备的一些高质量铋层状氧化物单晶薄膜铁电和铁磁研究,主要介绍超导干涉线圈(SQUID)和压电力显微镜(PFM)的研究结果;然后介绍了两种独特的研究手段,即RIXS和PNR,以及它们在研究层状氧化物单晶薄膜多铁机理方面的研究成果,包括掺杂所引起的晶体场劈裂能的变化、单晶薄膜的本征磁性探讨;最后对我们在铋层状氧化物单晶薄膜多铁研究的已有成果进行总结并提出展望.2 铋层状氧化物单晶薄膜的制备研究铋层状氧化物母体为良好的室温铁电体,近年来很多研究工作发现在这一材料中引入磁性原子掺杂,能够实现非常稀缺的室温铁磁、铁电的共存,引发了广泛的关注.然而绝大多数研究都是基于多晶或者非晶材料,经常存在磁性杂相,探测到的磁性和电性随样品质量的变化而变化.因而,制备高质量的铋层状氧化物单晶薄膜是亟需解决的问题.我们重点研究了m=5的Bi6FeCoTi3O18(BFCTO)薄膜的脉冲激光沉积(PLD)制备[29].首先选取(001)面的(LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7衬底(简称LSAT),因为该衬底晶格常数为3.868 Å,最接近BFCTO块体的晶格常数3.876 Å.脉冲激光的能量和频率分别为2 J/cm2和2 Hz.我们分别在590◦C,605◦C,620◦C三个温度下生长了BFCTO薄膜,生长氧压均为20 Pa.采用X射线衍射(XRD)对薄膜的结构进行了表征,如图2(a)所示.在620◦C生长的薄膜存在明显的层数降低,根据超晶格的XRD谱可以看到,薄膜已经从五层钙钛矿结构变成了四层钙钛矿结构.降层的同时在43.5◦附近出现了杂相峰.根据搜索PDF卡片的结果,惟一的可能性是Fe3O4或者CoFe2O4两种尖晶石相的(400)衍射峰.对于这种尖晶石相,在多晶中通常最强峰是(311)衍射峰,2θ角约35.4◦.然而在我们生长的薄膜中,最强衍射峰的指数为(400),说明在薄膜中这些尖晶石相是沿a轴方向生长,这与之前报道的BFO/CoFe2O4[36]和BFTO/CoFe2O4[37]类似.这种结构的坍塌及杂相的出现,是由于Bi元素具有挥发性,温度过高时Bi的挥发使得Bi的组分比例降低,原有的结构不再稳定,从而出现降层.而多余的金属元素则以氧化物杂相的形式留在薄膜中.图2 (a)在620,605,590◦C三个不同衬底温度生长的BFCTO薄膜XRD谱,插图是620◦C生长的薄膜(0020)峰中含杂相峰的放大图;(b)—(d)三个不同温度生长的薄膜表面原子力显微镜(AFM)图;(e)在最优温度605◦C生长的薄膜的扫描透射电子显微镜(STEM)图,其中亮点为最重的Bi原子(摘自文献[29])Fig.2.(a)XRD patterns of the BFCTO f i lms grown at 620,605,and 590◦C with the same oxygen pressure of 20 Pa;the inset magnif i es the shoulder feature nearthe(0020)peak of the f i lm grown at 620◦C,which represents the spinel impurity(Imp.)peak;the surface morphologies of the three BFCTO f i lms are shown in(b)–(d)respectively;the scan areas are all 2µm×2µm;(e)the HAADF-STEM image taken from a cross section of the BFCTO f i lm grown at605◦C;the bright spots are the Bi atoms.Adapted from Ref.[29].另外,氧压同样也是薄膜生长中非常重要的影响因素,尤其是对于含有Bi元素的氧化物,因此Aurivillius相氧化物薄膜的生长也受氧压的影响.我们分别在15,20,25 Pa 三个氧分压下生长了BFCTO薄膜,发现氧压过低会导致薄膜的钙钛矿结构层数下降并产生杂相,而氧压过高会导致薄膜以三维模式生长,结晶性变差.在上述3种气压中,20 Pa是最优气压.在以上生长条件优化的基础上,通过改变界面结构对BFCTO薄膜的生长进一步优化[30].由于BFCTO的大周期晶格结构和Bi2O2,FeO2,CoO2分子层的极性问题,在界面处会出现极性不连续,从而导致界面电场不稳定,可以引发界面晶格结构的杂乱化.为了解决这一问题,我们通过插入导电氧化物来屏蔽绝缘衬底和极性薄膜.我们选择LaNiO3(LNO)薄膜作为屏蔽层,分别对LSAT和LNO/LSAT上最优温度生长的BFCTO薄膜进行了XRD,AFM,X射线倒空间强度分布(RSM)表征,结果如图3所示,可以看到在LNO上生长的BFCTO薄膜平整度、晶格衍射的相干性均有了很大的提高.并且,BFCTO在LSAT和LNO/LSAT上生长的晶格失配是相同的,表面形貌和结晶性的差异并非由于晶格失配不同.图3 (a)和(d)分别是BFCTO和BFCTO/LNO薄膜的XRD图,其中放大插图分别是两个薄膜(0024)峰的摇摆曲线;(b)和(e)是两个薄膜的AFM图,扫描面积均为2µm×2µm,粗糙度的RMS分别为3.04 nm和0.274 nm;(c)和(f)是两个薄膜围绕衬底(103)峰和薄膜(1035)峰的RSM图,图中刻度均以LSAT衬底倒空间晶格为标准,(f)中红色箭头指向超薄LNO薄膜的衍射位置,(c)和(f)图中下方均为BFCTO薄膜衍射峰(摘自文献[30])Fig.3.(a)and(d)are XRD ω-2θ scans of BFC TO/LSAT and BFCTO/LNO/LSAT f i lms,respectively.Stars(*)and numbersigns(#)indicate LSAT and LNO dif f raction peaks,respectively.Rocking curves of the(0024)peaks are shown in the insets of(a)and(d).(b)and(e)are 2µm×2µm AFM scan height images with roughnes s RMS of 3.04 nm and 0.274 nm respectively.(c)and(f)are X-ray reciprocal space mapsaround(103)LSAT and(1035)BFCTO dif f ractions.The(103)LNO buf f er layer dif f ractions is indicated by the arrow in(f).The bottom peaks in(c)and(f)arefrom BFCTO f i lms.Adapted from Ref.[30].我们通过STEM及其电子能量损失谱(EELS)研究了两种薄膜的界面晶格结构和电子结构,验证了导电层电荷屏蔽效应对界面晶格和电势的影响.如图4(a)所示,在BFCTO与LSAT的界面结构存在3种类型,类型I为双铋氧层起始,类型II为先生长一层钙钛矿中的铋原子然后再生长双铋氧层,类型III-a为先生长两层钙钛矿中的铋原子然后再生长双铋氧层.而在BFCTO与LNO的界面处,界面结构是单一的,均为先生长两层钙钛矿中的铋原子然后再生长双铋氧层,我们将其命名为类型III-b.我们对界面做了EELS表征,EELS可以对材料的组分和价态进行表征.根据EELS结果,我们给出了4种类型界面的结构示意图,如图4(b)所示将薄膜的结构沿c方向分为几层,并且标注了不同层的极性.因为Bi2O2层带2+电荷,所以剩余部分带2−电荷,即5层钙钛矿结构平均每层为−0.4电荷.而在LNO导电层的界面处,我们认为存在一个带正极性的屏蔽电荷δ+.这个屏蔽电荷可以抵消BFCTO薄膜中存在的极化场.图4(c)和图4(d)对比了类型III-a和类型III-b的极化场(E)和电势(V).在类型III-a界面中,没有屏蔽电荷存在,电势随着在BFCTO中的厚度增加而增加.在类型III-b界面中,假设有少量的屏蔽电荷δ=0.2+,这样可以非常好地屏蔽掉BFCTO薄膜中的偶极子电场.根据Thomas-Fermi屏蔽方程,屏蔽距离大约为1个单胞[38].由此,我们可以得出结论:由于屏蔽电荷的存在,BFCTO与LNO/LSAT的界面比与LSAT的界面更加稳定有序,从而引起了对BFCTO薄膜表面形貌、结晶性的一系列影响.除了结构较为简单的m=5 BFCTO薄膜,我们也制备了[001]晶向的磁性原子(Fe,Co)掺杂的大周期Bi m+1(Fe,Co)m−3Ti3O3m+3外延薄膜,m约为10,通过XRD和STEM实验,发现大周期薄膜中存在周期随厚度的变化,但没有发现杂相[33].图4 (a)BFCTO和BFCTO/LNO薄膜界面处的STEM实验图和模拟图,其中I,II,III 三种界面来自BFCTO/LSAT界面,III-b来自BFCTO/LNO界面;(b)根据STEM实验得到的界面电荷分布示意图;(c)和(d)分别是III-a界面和III-b界面的电场和电势分布图(摘自文献[30])Fig.4.(a)Comparisons between the experimental interface images and the corresponding simulated images of the four types of interfaces.(b)The ionic charges per square unit cell of the bilayer and the perovskite layers are shown for the four interfaces in(a).A small screening charg e density of δ+per square unit cell is shown in the fi rst layer of LaNiO3near the interface.(c)and(d)are the schematics of ionic chargeρ,electric field E and potential V of the type III-a interface in BFCTO/LSAT film and the type III-b interface in BFCTO/LNO film,respectively.Adapted from Ref.[30].另外,我们也制备了Fe-Ni共掺杂的薄膜[31].使用BFTO和LNO双靶材交替生长的方法,实现了对单晶薄膜的掺杂调控,在(001)LSAT衬底上制备了一系列(La,Bi)6Fe2−xNixTi3O18(LBFNTO)薄膜.在制备LBFNTO前均在LSAT衬底上生长了30个单胞的LNO导电层.制备LBFNTO薄膜的整个生长过程由若干个循环组成,在每个循环中通过控制BFTO和LNO靶材生长的脉冲数来控制薄膜成分.比如样品4B1L代表的是每个生长周期中沉积1/2 BFTO层和1/8 LNO层.在4B0L,4B1L,4B2L等不同样品中Ni和Fe的摩尔比分别是0(x=0),1/8(x=2/9),1/4(x=2/5).结构表征发现LNO比例超过4B2L时薄膜中开始出现杂相.3 铋层状氧化物单晶薄膜多铁性能的研究在高质量薄膜制备的基础上,我们对一系列单晶薄膜进行了多铁性能的测试.首先对在LNO/LSAT生长的高质量的BFCTO薄膜的铁磁性能和铁电性能进行了表征[30].薄膜磁性表征在SQUID上完成.图5(a)为薄膜的磁性随温度的变化曲线,红色实线对应场冷(FC),虚线为零场冷(ZFC),可以看出薄膜的磁性随着温度的降低而升高.插图为薄膜室温的M-H曲线,经过单位转化以后,每个单胞的饱和磁矩为0.34µB.在M-T曲线中,在50 K附近FC与ZFC所对应曲线分开较大,磁性峰出现在大约46 K 的位置.因此,我们认为薄膜中有两种不同的磁性序存在,分别在100 K以上和50 K 以下.在接近0 K时,能看到磁信号有个明显的上升,这是一个顺磁信号,这主要是由于存在氧空位等缺陷所致.使用PFM测量了薄膜的面外方向的极化,观察到了很强的极化翻转,如图5(b)和图5(c)所示.我们在2µm×2µm区域先写入了+8 V的电压,然后再在1µm×1µm写入−8 V的电压,最后在3.5µm×3.5µm区域去读取信号.之前的报道中,不管是钙钛矿层为奇数层还是偶数层,比如块体的Bi4Ti3O12和Bi5FeTi3O15,铁电极化主要是在面内方向.对于Bi4Ti3O12,面外的分量也只有面内的8.7%.最近,理论计算已经发现,在Bi5FeTi3O15和Bi4Ti3O12体系中,压应力能够提升c方向的极化值[37].我们的研究工作是在LNO/LSAT上生长BFCTO薄膜,衬底的压应力大约为0.2%.强烈的面外方向的极化翻转可能是由于压应力的效果导致的.另一方面,介电材料中的电荷效应也能导致回字的产生[39].但我们测到的相位变化达到180◦,比通常电荷效应的相位变化大,所以这种变化主要不是来源于电荷效应,而是铁电极化.图5 (a)BFCTO/LNO双层膜的面内磁性和温度关系,内插图为常温下的磁滞回线;(b)和(c)分别为常温下PFM的相位图和振幅图,测试方向为面外方向(摘自文献[30])Fig.5.(a)The magnetization as a function of temperature for BFCTO f i lms grown on LNO buf f er layer.The room-temperature magnetic hysteresis measured along the in-plane direction is shown in theinset.(b)The phase and(c)the magnitude of the phase switching along the out-of-plane direction in the PFM measurements.Adapted from Ref.[30].m=10的大周期外延薄膜的铁磁和铁电性能如图6所示[33].我们通过SQUID变温测试,发现FC和ZFC条件下,磁性随温度的变化趋势发生在200 K,在室温能够探测到每个结构单胞约0.25µB的饱和磁化强度.这些结果说明,室温和低温下磁性的来源机理不同,而室温下非常小的饱和磁化强度说明Dzyaloshinskii-Moriya相互作用导致的反铁磁倾斜很可能是其室温铁磁性来源.通过室温下PFM实验,在不加电场的条件下,在面内方向发现铁电畴的存在,与不掺杂母体Bi5FeTi3O15和Bi4Ti3O12一致.在面内方向.由于这些铁电畴的发现是在没有外加电场的条件下,因此不存在静电场下的电荷效应,可以确定铁电性的存在.以上两种Bi层状多铁薄膜均为Fe-Co共掺杂的薄膜,我们也测试了Fe-Ni共掺杂的薄膜[31].由于LNO比例超过4B2L时薄膜中开始出现杂相,因此我们重点研究了4B0L和4B1L薄膜的多铁性能,即(BFTO)和(La,(LBFNTO)(x=2/9) 薄膜.磁性测试结果如图7所示,4B1L样品具有更大的饱和磁矩,约每结构单胞0.43µB,但是矫顽场相对较小,约100 Oe(1 Oe=103/(4π)A/m),4B0L样品的每结构单胞饱和磁矩只有0.076µB,矫顽场有210 Oe.因此,可以认为掺杂提高了LBFNTO薄膜的磁性.另外,图7(b)显示4B1L样品FC和ZFC测试曲线在低温下出现较大的分离,而4B0L中两条曲线重叠比较严重,且数值较小.在150 K附近,4B1L样品出现了比较明显的鼓包,可能是一种自旋阻错行为.铁电性测试结果如图8所示.为了消除形貌的影响,我们使用远离共振频率的10 kHz来测试.图8(a)和图8(b)分别是两种薄膜的形貌图;图8(c)和图8(d)是面外方向的相位图;图8(e)和图8(f)是面内方向的相位图.从两种相位图可以清楚地发现,薄膜面外方向相位图中没有明显的衬度差别,而面内相位图中则有较为清晰的明暗对比,且明暗对比处有180◦的相位差.两个样品没有表现出明显的区别,面内都是一种多畴结构,畴的大小在100—250 nm范围.同时我们借助于极化翻转谱PFM(SSPFM),测试了在直流电压不加载时的极化曲线,测试方法和结果如图8(g)和图8(f)所示.4B1L 薄膜的铁电电滞回线比不掺杂的4B0L样品要大,即饱和极化值和矫顽场都大一些,说明掺杂薄膜中的铁电性比不掺杂样品的铁电性要大一些.图6 (a)m=10的BFCTO薄膜常温下的磁滞回线和(b)磁性与温度的关系,所有测试均为薄膜面内方向;(c)—(e)分别为常温下m=10薄膜的AFM形貌图、PFM的面外、面内相位图(1 emu/cc=103A/m,摘自文献[33])Fig.6.(a)The m=10 BFCTO f i lm magnetic hysteresis measured at room temperature and(b)the magnetization as a function of temperature;all measurements were done along the in plane direction of the f i lm.(c)The roomtemperature AFM image,the PFM image measured along(d)out-of-plane and(e)in-plane direction of the m=10 BFCTO f i lm.Adapted from Ref.[33].图7 (a)m=5的BFTO(4B0L)和BFTO:LNO为4:1比例制备m=5的LBFNTO(4B1L)薄膜常温下的磁滞回线和(b)磁性与温度的关系,所有测试均为薄膜面内方向(摘自文献[31])Fig.7.(a)The m=5 BFTO(4B0L)and m=5LBFNTO(4B1L,BFTO:LNO=4:1)f i lm agnetic hysteresis loops measured at room temperature;(b)the magnetization as function of temperature of the two f i lms;all measurements were taken along the in-plane direction of the f i lms.Adapted from Ref.[31].图8 m=5的BFTO(4B0L)和LBFNTO(4B1L)薄膜样品PFM 测试结果对比 (a)和(b)对应于薄膜表面形貌;(c)和(d)对应于薄膜面外方向极化相位图;(e)和(f)对应于薄膜面内方向极化相位图;(g)是SSPFM驱动电压加载方式;(h)是两个样品没有直流电压存在时的SSPFM测试结果(摘自文献[31])Fig.8.(a)and(b)Surface morphology,(c)and(d)are out-of-plane phase,(e)and(f)in-plane phase images of the m=5 BFTO(4B0L)and LBFNTO(4B1L)f i lms,respectively;(g)the tipbias pulse period in the SSPFM loop with the in-f i eld and f i eld-of fis 2 ms and 1 ms,respectively;(h)the piezoelectric response(PR)of the f i eld-of floops of 4B0L and 4B1L.Adapted from Ref.[31].综上所述,我们在不同周期的Fe-Co共掺杂薄膜、Fe-Ni共掺杂薄膜的研究中发现,这些薄膜都具有很好的铁电性,并且铁电自发极化方向大都位于面内,这和Bi层状氧化物块体中铁电极化主要存在于ab面内有很大关系[40,41].另一方面,这些薄膜在常温下都具有铁磁磁矩,然而,这些薄膜的磁性在常温下非常弱,表现为每结构单胞的饱和磁矩小于0.5µB,即每掺杂一个Fe和一个Co(Ni)原子只产生小于0.5µB的磁矩.在室温附近没有观察到铁磁性转变,这也可能是由于铁磁转变温度高于我们的测试温度.除此以外,掺杂后的薄膜大都在低温区出现FC和ZFC磁矩的分离,说明低温下存在磁性相变.4 铋层状氧化物单晶薄膜RIXS的晶体场电子结构研究RIXS是一个二级光学过程,其中包含芯能级的电子向非占据态的激发(光子吸收)和随之发生的占据态电子向芯能级电子空穴的跃迁(光子发射)过程[42,43].与XAS不同,由于光子吸收和光子发射过程的叠加,RIXS的分辨率不受内层电子空穴寿命的影响.因此,RIXS能够很好地研究在氧八面体晶体场作用下的Fe和Co 3d轨道电子的状态.图9是BFTO,BFCTO和LBFCTO薄膜Fe L边RIXS谱图[34].我们选定了几个能够覆盖Fe L3和L2吸收边的入射光能量.所有的RIXS谱都使用入射光通量进行了归一化,并以能量损失模式显示出来.每个RIXS谱的采集时间为30 min.在吸收边附近改变入射光能量,我们能够观察到很强的共振现象.RIXS谱的结构主要可以分为三类:由2p53d6轨道到基态的复合产生的弹性散射峰(Rayleigh散射),对应于谱图中能量损失为零的激发峰;由d-d激发、电荷转移激发产生的共振激发峰,对应于谱图中能量损失非零且峰位不随入射光能量改变而变化的峰;由Fe3+3d占据轨道的电子向2p1/2和2p3/2电子空穴退激发产生的常规X射线发射峰,对应于谱图中能量损失为非零但峰位随入射光能量改变而变化的峰.在Fe3+的RIXS谱中,−13.5 eV 和−15 eV处的两个激发峰(竖直实线标记)是来源于Fe3+离子的L3常规X射线发射.除了弹性散射和常规X射线发射外,从−1—−10 eV的能量范围还有5个能量损失峰能够清晰地分辨出来(虚线标记).Fe的L边RIXS谱与之前报道的一系列化合物比较相似[44−46],不同之处在于我们获得的RIXS谱弹性散射峰的强度比文献报道的要强很多,且随入射光能量的变化表现出很强的共振行为.这可能是由于所制备的高质量的薄膜样品表面非常平坦光滑,对入射光产生强烈镜面反射的结果.我们获得的RIXS谱也与α-Fe2O3的光吸收研究符合得非常好[47].从这些研究中可以得出,−1.6 eV处的第一个能量损失峰是来源于的晶体场激发;−2.8 eV处的第二个能量损失峰可以归结为3eg能级的自旋翻转激发;而−4,−5和−5.8 eV处的另外三个能量损失峰是来自于电荷迁移激发[48].图9 (a)BFTO,(b)BFCTO和(c)LBFCTO薄膜在选定入射光能量位置的Fe L边RIXS 测试,入射光的能量列于相应RIXS谱旁边 (摘自文献[34])Fig.9.Fe L-edge RIXS spectra of(a)BFTO,(b)BFCTO,and(c)LBFCTO f i lms at selected incident photon energies.The incident photonenergies are displayed next to the corresponding RIXS spectra.Adapted from Ref.[34].图10 (a)BFCTO和(b)LBFCTO薄膜在选定入射光能量位置的Co L边RIXS测试,入射光的能量标示在相应RIXS谱旁边(摘自文献[34])Fig.10.Co L-edge RIXS spectra of(a)BFCTO and(b)LBFCTO f i lms at selected incident photon energies.The incident photonenergies are displayed next to the corresponding RIXS spectra.Adapted from Ref.[34].图10是 BFCTO和 LBFCTO薄膜Co L边RIXS谱图.我们选定了几个能够覆盖Co L3和L2吸收边的入射光能量.BFCTO和LBFCTO薄膜Co L边RIXS谱与之前报道的CoO的RIXS非常相似[47],这意味着我们可以以CoO的RIXS为基准来解读BFCTO和LBFCTO薄膜的Co L边RIXS.薄膜的RIXS谱中出现了4个显著不同的能量损失峰,它们是来源于d-d激发和电荷转移激发.如果我们不考虑CoO6八面体的很小的形变,在八面体对称性(Oh)下,−0.7 eV处的损失峰是来源于d-d激发在。

固体物理学中的多铁性与多铁材料多铁性是指材料在外加电场、磁场或机械应力等刺激下能够同时表现出磁性和铁电性的特性。

这种材料具有潜在的应用前景，因为多铁性能够为新型电子器件的设计和制造提供新思路。

本文将介绍固体物理学中的多铁性研究和多铁材料的应用。

一、多铁性的研究历史及意义多铁性的研究可以追溯到20世纪末，当时科学家们发现铁电材料和磁性材料之间存在着某种联系。

后来，随着研究的深入，人们意识到这种联系在一些晶体结构中可以同时实现，从而形成了多铁性材料的概念。

多铁性材料的研究对于发展新型电子器件有着重要的意义。

例如，利用多铁性材料可以实现磁场或电场控制的电子器件，从而提高器件的性能、降低功耗。

此外，多铁性材料还可以应用于传感器、存储器和电荷耦合器等领域。

二、多铁性的机制多铁性的发现和解释依赖于材料的晶格结构和电子结构。

不同的机制可以导致不同类型的多铁性，如铁电-铁磁耦合机制、荷电耦合机制和自旋耦合机制等。

铁电-铁磁耦合机制是指通过控制外加电场或磁场来改变材料的铁电和铁磁性质。

这种机制主要依赖于材料晶格结构中的离子位移和电子自旋耦合效应。

荷电耦合机制是指通过控制外加电场来改变材料的离子位移和电子结构。

这种机制主要依赖于材料中的极化效应和荷电耦合效应。

自旋耦合机制是指通过控制外加磁场来改变材料的自旋结构和电子结构。

这种机制主要依赖于材料中的自旋-轨道耦合效应和自旋-自旋耦合效应。

三、多铁材料的分类多铁材料可以分为单相多铁材料和复相多铁材料。

单相多铁材料指的是一种材料同时具有铁电和铁磁性质。

复相多铁材料是指通过两个或多个单相材料的复合形成铁电-铁磁耦合效应。

根据多铁性材料的组成和结构，可以进一步将其分类为无机多铁材料和有机多铁材料。

无机多铁材料主要以金属氧化物为代表，具有较高的铁电和铁磁性能。

有机多铁材料主要以有机分子和/或有机配合物为基础，具有可调性和柔韧性等优势。

四、多铁材料的应用前景多铁材料的应用前景十分广泛。

物理化学中的铁电性与多铁材料铁电性和多铁材料是物理化学领域中一个热门的话题。

铁电性指的是一种特殊的电性质，同时具有电荷分离和极性，类似于磁性中的极性磁化。

多铁材料则是指一种材料，它集成了不同种类铁性，如铁磁性、铁电性和弹性铁性等，能够同时响应多个外部刺激，如电场、磁场、力场等。

铁电性铁电体是一类具有铁电性的晶体，铁电性即晶体对电场的响应，表现为晶体在外加电场作用下出现极化现象。

由于电子在晶体中以复杂的方式运动，因此铁电材料具有复杂的晶体结构和物理性质。

例如，铁电体一般具有高的介电常数和压电效应，在电子学和光学等领域具有广泛的应用。

铁电体有不同的分类方法，其中一种常见的分类方式是基于铁电性质的来源。

一类来自离子位置发生移动的极化，称为外场极化，常见的外场极化的材料有Pb(Zr,Ti)O3和BaTiO3等。

另一类来自于离子的择优排列引起的极化，称为自发极化，常见的自发极化材料有铁电玻璃、聚合物和某些无机化合物等。

铁电性质取决于材料的晶体结构和化学组成，在实际应用中常常需要通过控制晶体结构和化学构造来调节铁电性质。

多铁材料多铁材料是一类同时具有多种铁性的材料，如铁磁性、铁电性、弹性铁性等。

这些铁性之间有可能相互作用，从而引起独特的物理效应。

多铁材料的研究涉及到物理、化学、材料科学等多个学科领域，是当前材料学热门的研究方向之一。

多铁材料的设计和合成具有一定难度，需要考虑不同铁性之间的相互作用和协同效应。

例如，在铁电-铁磁多铁材料中，电偶极矩和磁矩之间可以相互转换，从而实现电-磁耦合效应。

多铁材料的研究不仅可以为新型器件的开发提供基础，同时也有助于更好地理解铁性材料的物理特性。

总结铁电性和多铁材料是物理化学领域中研究热点之一。

铁电性和多铁材料的研究不仅有助于开发新的功能材料，同时也有助于深入理解铁性材料的特性和物理机制。

在未来的研究中，为了更好地利用铁性材料的特性，需要继续探寻新的铁性材料和调节铁性材料性质的方法。

《六方锰氧化物LuMnO3的多铁特性及其调控》篇一一、引言近年来，多铁材料因其独特的物理特性和潜在应用价值引起了科研领域的广泛关注。

六方锰氧化物LuMnO3作为多铁材料的一种，其特殊的电子结构与磁性使其成为研究的热点。

本文将重点研究LuMnO3的多铁特性以及其调控的机理和效果。

二、六方锰氧化物LuMnO3的基本特性LuMnO3是一种六方锰氧化物，具有独特的晶体结构和电子结构。

其晶体结构为六方晶系，具有丰富的磁性、电性和其他物理特性。

在磁场的作用下，LuMnO3表现出明显的磁性响应，同时其电性也随外界条件发生变化，因此具有多铁特性。

三、LuMnO3的多铁特性1. 磁性：LuMnO3具有较高的磁化强度和矫顽力，其磁性来源于Mn离子的3d电子的自旋和轨道运动。

此外，LuMnO3还具有磁电耦合效应，即磁场和电场之间的相互作用。

2. 电性：LuMnO3的电性主要表现在其导电性、介电性和铁电性等方面。

在特定条件下，其电导率、介电常数等电学参数可随外界条件发生变化。

四、LuMnO3多铁特性的调控为了更好地利用LuMnO3的多铁特性，需要对其进行有效的调控。

目前，调控LuMnO3多铁特性的方法主要包括掺杂、改变制备工艺、施加外场等手段。

1. 掺杂：通过引入其他元素或离子对LuMnO3进行掺杂，可以改变其晶体结构和电子结构，从而调控其多铁特性。

例如，引入不同价态的离子可以调节其导电性和磁性等。

2. 改变制备工艺：制备工艺对LuMnO3的晶体结构和多铁特性有很大影响。

通过改变制备温度、气氛、压力等参数，可以获得不同结构和性能的LuMnO3材料。

3. 施加外场：通过施加磁场、电场等外场，可以改变LuMnO3的磁化和极化状态，从而调控其多铁特性。

此外，还可以通过调节外场的强度和频率等参数，实现对其多铁特性的精细调控。

五、结论本文研究了六方锰氧化物LuMnO3的多铁特性及其调控方法。

通过对其晶体结构和电子结构的分析，发现LuMnO3具有丰富的磁性和电性等物理特性。

Co 3O 4-Bi 2O 3-Ta 2O 5体系中新型多铁性化合物的探究李想(北京市十一学校)相图法是探索新型化合物存在性的一个行之有效的方法。

本课题希望利用这一方法来找到新型的多铁性的化合物:用高温固相法合成了该体系的各种样品,用粉末X 射线衍射确定了其中的物相,经分析得到了各个化合物的相关系,并初步确定了这个三元相区里的相关系。

多铁性材料固相反应粉末衍射固溶区多铁性材料(mu ltiferroics)是一种新型多功能材料,具有共存的铁电性和磁性,并且它们之间存在强烈的耦合。

磁性材料与电子材料的发展渗透于现代技术的各个领域中,器件小型化的发展趋势导致人们对集电与磁性于一身的多功能材料研究兴趣的日益提高。

多铁性材料就是这样的一种多功能材料,目前正受到越来越多的关注。

一、多铁性材料的研究现状自然界中只有很少数的单相物质具有这种特殊的强磁电耦合效应。

沿用Van Such telen 的思想,人们制备了一系列具有磁电耦合效应的异质结构,主要有铁电、铁磁单相材料的复合压层、嵌入式和混合型复合材料及超晶格结构材料。

压电相采用Bi T i O 3和PZ T 系列,压磁相则采用绝缘性很好、磁致伸缩系数较大的尖晶石如Co F e 2O 4等或超磁致伸缩材料如Ter -f eno l 2-D 等,可以在合适的衬底上沉积形式不同的薄膜结构,也可以用PL D 制成超晶格结构。

二、课题的设计思想本课题通过设计在同一个化合物中同时引入磁性离子Co 3+和具有孤对电子的Bi 3+,从而期望得到同时具有磁性和铁电性的新型单相的多铁性化合物。

于是我们利用相图法对这一体系进行了研究:用高温固相法合成了该体系的各种样品,用粉末X 射线衍射确定其中的物相,从而进一步分析其中各个化合物的相关系并判定其中是否存在新的化合物。

如果存在新的化合物,我们将利用粉末X 射线衍射的数据结合电子衍射等方法来确定化合物的结构,并通过电性和磁性的测量来检验该化合物是否是多铁性的化合物。