多鐵性材料磁電性質(zhì)的理論綜述

周 凱

（裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

多鐵性材料磁電性質(zhì)的理論綜述

周 凱

（裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

多鐵性材料由于具有鐵電和鐵磁性，部分具有鐵彈性，是一種多功能新型材料。現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于儀器小型化的要求越來(lái)越高，多鐵性材料是實(shí)現(xiàn)這一要求的重要選擇。通過(guò)其具有的磁電耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)新型功能器件的研制。文章探討多鐵性材料的基本性質(zhì)和應(yīng)用。

多鐵性材料；磁電性質(zhì)；第一性；對(duì)稱性

現(xiàn)階段對(duì)于多鐵性材料的研究多集中于單相多鐵材料和磁性誘導(dǎo)鐵電體。隨著研究的推進(jìn)，面對(duì)新的多鐵性材料所表現(xiàn)出的性質(zhì)，常規(guī)理論已不能進(jìn)行很完美的解釋。由于多鐵性材料在自旋電子器件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面具有重要的應(yīng)用潛力。通過(guò)理論研究確定多鐵性材料的機(jī)理并深入分析所表現(xiàn)出的性質(zhì)，對(duì)于設(shè)計(jì)和研制新型多鐵性材料具有重大而現(xiàn)實(shí)的意義。

1 多鐵性材料的定義及應(yīng)用

1.1 多鐵性材料的定義

1970年，Aizu根據(jù)鐵電、鐵磁、鐵彈三種性質(zhì)的相似點(diǎn)將其歸結(jié)為一類，提出了鐵性序的概念。1994年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Schimid教授首次將多鐵定義為同時(shí)存在鐵電、鐵磁或鐵彈序等兩種或者兩種以上鐵性序的材料，后來(lái)的研究又拓展到鐵性磁渦旋的體系。實(shí)際上，由于鐵彈性一般伴隨著鐵電性出現(xiàn)，且鐵性磁渦旋的定義及研究尚未成熟。因此，通常所指的多鐵性材料是指鐵電與鐵磁性共存的體系。多鐵性材料重要的性質(zhì)是磁電禍合，即磁和電之間相互調(diào)控，最終的目的是通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)分別實(shí)現(xiàn)磁化和極化的翻轉(zhuǎn)，如圖1所示。

圖1 鐵電和鐵磁性共存及相互調(diào)控

1.2 多鐵性材料的應(yīng)用

多鐵性材料的應(yīng)用主要集中在自旋電子器件、傳感器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面。鐵磁性與鐵電性的共存有利于實(shí)現(xiàn)器件小型化和多功能化，如使四態(tài)邏輯存儲(chǔ)成為可能。磁和電之間可能存在的禍合為多鐵材料帶來(lái)了額外的功能。利用電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)磁化，或者通過(guò)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換電極化，可以設(shè)計(jì)全新的功能器件。通過(guò)磁電禍合實(shí)現(xiàn)的電場(chǎng)控制磁性提供了結(jié)合鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器（FeRAM）和磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）各自優(yōu)點(diǎn)的可能。

2 多鐵性材料研究進(jìn)展

多鐵性材料可分為單相和復(fù)合材料兩大類。同時(shí)部分學(xué)者提出可依據(jù)鐵電性的來(lái)源不同和磁電耦合機(jī)制的不同，將其劃分為以BiFeO3為代表的多鐵性材料和以磁性誘導(dǎo)鐵電體為代表的多鐵性材料，其中前一種具有本征鐵電性。通過(guò)分析現(xiàn)階段多鐵性材料的研究進(jìn)展可以看出，主要的研究方向如圖2所示。

圖2 多鐵性材料研究方向

2.1 符合多鐵性材料

復(fù)合多鐵性材料通過(guò)整合鐵磁材料和鐵電材料于一身，在磁致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)的基礎(chǔ)上，主要利用應(yīng)力傳遞耦合作用以得到磁電耦合效應(yīng)。通常所見的簡(jiǎn)單復(fù)合多鐵性材料指的是一種片狀鐵電材料和磁致伸縮材料構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)，較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)有顆粒形式和納米尺度的復(fù)合柱狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示：

圖3 CoFe204/BaTi03柱狀復(fù)合納米結(jié)構(gòu)示意圖及鐵電和磁滯回線

2.2 BiFe03

2003年是對(duì)單相多鐵性材料研究的一個(gè)熱潮，正如前文提到的，單相多鐵性材料指的是具有鐵電性和鐵磁性兩種性質(zhì)的單相化合物。其中以BiFeO3為代表，BiFeO3是目前研究發(fā)現(xiàn)的唯一一種在室溫條件下仍然具有較強(qiáng)性質(zhì)的單相多提惡性材料。在此之外，對(duì)于BiFeO3在電場(chǎng)作用下的反鐵磁疇調(diào)控研究也是重大的發(fā)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上，Chu等研制出了能夠外延生長(zhǎng)的BiFeO3薄膜，其

飽和鐵電極化能夠達(dá)到95μC/cm2。

2.3 磁誘導(dǎo)的鐵電體

此類多鐵性材料在相變過(guò)程中不在以鐵電序參量作為主要的序參量，取而代之的是收到其他序參量的控制，主要是軌道自由度和電子的自旋等。基于現(xiàn)階段的認(rèn)識(shí)，磁誘導(dǎo)鐵電體被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)多鐵性材料磁場(chǎng)控制實(shí)現(xiàn)電極化的最有希望的材料。由于亞鐵材料普遍具有較好的宏觀磁性，在其中尋找適合的多鐵性材料是解決磁存儲(chǔ)功能的最佳途徑。

3 多鐵性材料理論研究方法

對(duì)于多鐵性材料的研究主要基于以下幾種方法：第一性原理方法、對(duì)稱性分析等。其中第一性原理是基于密度反函數(shù)理論得來(lái)的，具有很高的計(jì)算精度，所以應(yīng)用較廣泛。

3.1 第一性原理

第一性原理通過(guò)使用量子力學(xué)的相關(guān)理論，在不使用經(jīng)驗(yàn)參量的前提下，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于體系內(nèi)所有性質(zhì)的計(jì)算。其中密度泛函理論是其中最重要的理論之一。Hohenberg和Kohn最早建立密度泛函理論，可以歸結(jié)為兩個(gè)最基本的定理：①?zèng)Q定系統(tǒng)基態(tài)物理性質(zhì)的基本物理量為粒子束密度函數(shù)；②系統(tǒng)基態(tài)的能量可以通過(guò)在控制粒子數(shù)恒定的前提下通過(guò)對(duì)能量泛函數(shù)的變分求的。在此之后，研究人員提出了局域密度近似（LDA）方法進(jìn)行求解，其交換關(guān)聯(lián)能由公式（1）表示：

但是該種方法仍然存在結(jié)合能計(jì)算過(guò)高而晶格參數(shù)估計(jì)不足等缺陷，在計(jì)算具有過(guò)渡金屬和稀土元素的體系時(shí)，LDA方法精度大大下降。在尋找更為精確、適用性更強(qiáng)的計(jì)算理論過(guò)程中，部分學(xué)者提出了密度泛函數(shù)微擾理論（DFPT），在此技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)就是現(xiàn)在使用最廣泛的DFT+U方法。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)值計(jì)算方法的飛速發(fā)展，很多能夠?qū)崿F(xiàn)較為完整FDT理論的第一性原理軟件包已經(jīng)投入使用。

3.2 對(duì)稱性分析

對(duì)稱性是多鐵性材料主要的特性之一，最要由Curie提出，在進(jìn)行多鐵性材料的設(shè)計(jì)中，位移性鐵電體的結(jié)構(gòu)要求具有極性點(diǎn)群的對(duì)稱性，對(duì)于其他經(jīng)過(guò)自由度誘導(dǎo)得到的鐵電體，雖然不要求對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)，但是在破壞中心反演中要求嚴(yán)格的磁對(duì)稱性。對(duì)稱性分析在BiFeO3、Ba2CoG2O7、TbMnO3等多鐵性材料的設(shè)計(jì)中都有應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章在簡(jiǎn)要分析多鐵性材料定義及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對(duì)于多鐵性材料的特殊性質(zhì)，對(duì)于現(xiàn)階段成熟的對(duì)鐵性材料研究理論及方法進(jìn)行了探討，對(duì)于從事該種材料研究與研制的工程人員具有一定的指導(dǎo)意義。

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TB741

A

2096-2789（2016）11-0097-02

周凱（1991-），男，浙江寧波人，碩士，研究方向：多鐵性復(fù)合材料的斷裂力學(xué)分析。