在位移型鐵電材料中實現磁場對電極化的調控與大磁電耦合效應

　　位移型鐵電材料(如BaTiO3、PbTiO3等)因其優(yōu)異的性能在電容器、傳感器和驅動器等眾多領域得到了廣泛的應用。但是，這些材料的自發(fā)電極化往往由非磁性的d0或6s2離子的位移引起，使得外磁場幾乎不能調控材料的電極化強度。盡管在少數位移型鐵電材料中發(fā)現磁性離子直接參與了電極化的形成，但是這些材料大多具有穩(wěn)定的反鐵磁結構，外磁場很難調控磁有序結構以及和磁有序(磁疇)關聯(lián)的鐵電極化(鐵電疇)。因此，如何在位移型鐵電材料中實現磁場可調的鐵電性是一個極具挑戰(zhàn)的科學問題。
 

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學國家重點實驗室龍有文研究員團隊，通過與所內外團隊的密切合作，利用高壓高溫實驗手段成功制備了具有A位有序鈣鈦礦結構的CaFe3Ti4O12體系，發(fā)現該材料中的Fe2+離子不僅產生位移型鐵電極化，形成了長程磁有序，且磁有序結構很容易被外磁場改變，進而罕見實現了磁場對位移型鐵電極化的調控。具體測試顯示CaFe3Ti4O12體系磁電耦合系數在2K、0.8T時可以高達500ps m-1，是目前在位移型鐵電材料中發(fā)現的最高值，該磁電耦合系數甚至可媲美第二類多鐵性材料(其鐵電極化由特殊自旋結構打破空間反演對稱性所引起，因而具有很大的磁電耦合效應)。這項工作突破了磁場難以調控位移型鐵電材料電極化強度的瓶頸，為設計制備具有顯著磁電耦合效應的鐵電材料提供了新思路。
 

　　本工作受到了北京市自然科學基金項目、科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金項目和中國科學院戰(zhàn)略性先導研究計劃的資助。物理所楊義峰研究員、理化技術研究所姜興興研究員、清華大學于浦教授、瑞士保羅謝勒研究所Denis Sheptyakov博士、德國馬普所Z. W. Hu博士等也參與了本工作。相關成果以“Magnetic-Field Controllable Displacement-Type Ferroelectricity Driven by Off-Center Fe2+ Ions in CaFe3Ti4O12 Perovskite”為題，發(fā)表在近期的Adv. Funct. Mater. 2411133 (2024)上。
 

　　圖：CaFe3Ti4O12的晶體結構和磁電耦合效應。(a) CaFe3Ti4O12的室溫下的晶體結構。(b) 隨溫度變化的晶格常數和晶胞體積。(c) 低溫下極化的晶體結構。(d) 結構相變時發(fā)生的離子位移。隨磁場變化的(e)電極化強度變化ΔP(H) = P(H) - P(0 T)和(f)磁電耦合系數α = dP / dH。 (g)不同極化方式測量的ΔP(H)。(h)周期性磁場下的ΔP(H)。