磁電多鐵性材料是指同時具有磁有序與電化有序的類多功能材料，用兩種有序的共存和相互耦合，可以實現(xiàn)磁場調(diào)控電化或者電場改變磁性質(zhì)。多鐵性材料作為具有重要應(yīng)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(xiàn)下代信息存儲器、可調(diào)微波信號處理器、超靈敏磁電傳感器等域。而實際應(yīng)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(yīng)，且這種兼容性在以往的單相多鐵材料中很難存在。因此，尋找兼具這兩種異性能的單相多鐵性材料是十分迫切但又挑戰(zhàn)的科學問題。

    近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室龍有文研究員（Quantum Design公司用戶）團隊，用*的高溫高壓技術(shù)，*次成功制備了具有A位有序鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BiMn₃Cr₄O₁₂體系，并罕見地發(fā)現(xiàn)該單相材料同時具備大電化強度以及強磁電耦合效應(yīng)。

圖1 BiMn₃Cr₄O₁₂的系列磁電測試結(jié)果（a）磁化率及其居里-外斯定律擬合；（b）比熱與介電常數(shù)；（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(shù)、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、中子衍射等系列綜合結(jié)構(gòu)表征與物性測試，龍有文團隊發(fā)現(xiàn)，隨著溫度降低，BiMn₃Cr₄O₁₂在135 K經(jīng)歷了個鐵電相變，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(xiàn)。

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(jīng)歷了個反鐵磁相變，中子衍射證明該反鐵磁轉(zhuǎn)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(diào)控，展示了強的磁電耦合效應(yīng) 

    當溫度繼續(xù)降低至48 K時，A'位的Mn³⁺離子也實現(xiàn)G-型長程反鐵磁有序，并且A'位Mn³⁺離子與B位Cr³⁺離子起組成的自旋有序結(jié)構(gòu)導化磁點群的形成，可以打破空間反演對稱性。因此，48K時的反鐵磁相變誘導另個鐵電相變，伴隨強的磁電耦合效應(yīng)的出現(xiàn)，此時材料同時呈現(xiàn)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(yīng)在這單相多鐵材料中同時實現(xiàn)，突破了以往這兩種效應(yīng)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(yīng)用。 

    相關(guān)研究結(jié)果于近期發(fā)表在Adv. Mater. 29, 1703435（2017）, 并被該期刊選為Inside Cover。該工作獲得了國內(nèi)外同行的廣泛合作，同時獲得了科技部、國家自然科學基金委、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(tài)物理國家實驗室，zui終解釋權(quán)歸中國科學院物理研究所 | 北京凝聚態(tài)物理國家實驗室所有）