多鐵性材料的介紹

多鐵性材料指具有2種以上初級鐵性體特征的材料，此類性質包括鐵電性、反鐵電性、鐵磁性以及反鐵磁性等。多鐵性材料的研究是目前材料科學及凝聚態物理中的一個寬廣的新領域，蘊含著豐富的材料科學與物理學研究課題，以及可預期的廣闊應用前景。

鐵電存儲器( FeRAMs)讀寫速度快、集成度高，然而存在破壞性讀取和疲勞等問題。磁致電阻隨機存儲器(MRAMs)的讀取雖是非破壞性的，但卻有讀取時間較慢并且磁寫入所需功率較大等缺點。多鐵性材料的出現為 FeRAMs 和 MRAMs 各自優點(低功率的電寫入操作和非破壞性的磁讀取操作)的融合提供了契機。多鐵性材料具有同時存在的鐵電性和磁性，是一種多功能材料，提供了同時用電極化和磁化來編碼儲存信息的可能性，而且還存在磁性和電性的強耦合，可以實現磁性和電性的互相調控，如圖 4 所示。

同時具備鐵電性和鐵磁性的多鐵材料是相當稀少的，這主要因為大多數鐵電性的形成是由于陽離子偏離晶格中心并且原子 d 軌道沒有電子填充，而大多數磁性的形成需要電子部分填充 d 軌道，這兩者的形成機制有很大區別。因此為了將鐵電性和鐵磁性融合在同一的單相材料中，偏離晶格中心而產生電偶極子的那部分原子必須同導致磁性的原子不同。在理論上存在著不同的合成機制，在磁性材料中摻入沒有 d 軌道電子的元素或者在鐵電材料中摻入具備磁性的元素。但在實際中只有后者才會被實現。不同機制的多鐵材料為今后的研究提供了廣闊的空間。一種多鐵材料的構建原理是具備磁性的鈣鈦礦氧化物(ABO3 型)，A 位原子提供弧對電子對并產生鐵電性，而 B 位則由具備磁性的陽離子構成。目前為止這種機制典型的單相材 料是鐵酸鉍(BiFeO3 )，如圖 5 所示，是一種以 Bi 為基礎的多鐵材料。第二種方法是依靠特殊的幾何結構使鐵電性和磁性共存，如 YMnO3 和 BaNiF4 都是這類材料。近TbMnO3 也引起了人們的關注，TbMnO3 具有低對稱 性的磁性基態和反演對稱性差的特點，這就導致了其電極化很小，但是由于可以直接通過磁序控制其電序，所以這種材料可能有著很強的磁電耦合系數。同 TbM- nO3 相反的一種多鐵機制也在研究中，這種機制的原理是在鐵電材料中通過降低晶格畸變的不對稱性來獲得微弱的鐵磁性。后在磁性材料中，非中心對稱的電荷有序排列也會產生鐵電性，如 LuFe2O4。有一個關鍵問題需要我們在這里指出，鐵電材料必然有著很好的絕緣性，否則能夠移動的電荷會使電極化消失，然而很多鐵磁材料是含有金屬的，并且絕大部分磁性絕緣體只具備反鐵磁序。這樣材料的絕緣性也會帶來很多的問題，例如對于部分漏電的多鐵材料，即使有著非中心對稱的結構，還是會因為移動的電子而抑制了自身的鐵電性。

盡管迄今為止對于鐵電性和磁性的研究都集中于凝聚態物理范疇和相關材料，在基礎物理和技術應用上仍存在大量問題。需要觀注的主要問題有 2 個方面:一是合成電偶極子同磁性自旋序共存于一身的材料;第二是充分認識在多鐵材料中電和磁之間的耦合效率尤為重要，這是實現多鐵控制的基礎。