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

　　【儀表網 研發快訊】位移型鐵電材料(如BaTiO3、PbTiO3等)因其優異的性能在電容器、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的科學問題。
 

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態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、科技部重點研發計劃、國家自然科學基金項目和中國科學院戰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)。