多鐵性材料和磁電耦合效應

自鐵電性材料被發現以來，科學家就在不斷努力，希望把鐵電性和其他鐵性（特別是鐵磁性）能耦合起來。在這條多鐵性耦合的道路上，科學家們大的愿望便是能找到一種材料，同時具有鐵電性和鐵磁性。這種同時具有鐵電性和鐵磁性的材料，便被大家稱作多鐵性材料。多鐵性材料（multiferrorics）在 1994 年由瑞士科學家 Schmid 提出，其定義為：同時具有兩種或兩種以上“鐵性”的材料。多鐵材料中不同鐵性之間相互作用的示意圖如圖 1.3 所示。其中 P、M、ε分別代表自然界中常見的三種鐵序：鐵電、鐵磁、鐵彈。它們分別可以通過電場、磁場、應力場實現狀態改變。T 為科學家預言的“鐵環”序，以及其他可能存在的鐵性 O，如軌道序、手性序等。

值得特別一提的是多鐵性材料中，具有鈣鈦礦結構的 BiFeO3（BFO），作為現今為止發現的室溫以上存在多鐵性的材料，近些年來受到各國科研工作者的關注和追捧。BFO 材料具有高的居里溫度點（TC～1100 K）、高聶耳溫度點（TN～650 K）、無鉛的壓電特性以及在可見光區域的大的柔韌性。BFO 屬于Bi 系鈣鈦礦結構化合物，如圖 1.4，其晶包沿體對角線方向存在菱方（rhombohedral）畸變。為了簡化理解，我們一般選取單位晶包的一半作為贗立方結構晶包，以米勒指數贗立方<111>方向標注這一方向。基于贗立方結構，BFO 的晶格常數為 3.96 Å，菱方的結構的傾角為 89.3-89.4o。晶胞中 A 位 Bi3+離子的 6s2 孤對電子具有高化學活性，可以與 O2-的 2p 電子形成雜化軌道，從而使 Bi 和 FeO6 八面體之間存在沿<111>方向較大的相對位移，這也正是 BFO 材料鐵電性的來源。BFO 沿<111>方向具有～150 微庫cm /大小的自發極化，這一極化強度值大于絕大多數傳統鐵電材料，因此它也是本文研究鐵電材料物性調控的重要研究對象之一。

人們找尋多鐵性材料的目的，是為了實現電場控制磁化強度或磁場控制電極化大小。這種相互控制被稱作磁電耦合。然而，已知的多鐵性材料多數磁電共存的溫度都很低（室溫一下），且溫度范圍窄，不穩定。而室溫多鐵材料 BFO 自身為鐵電反鐵磁材料，其磁電耦合強度十分弱。因此，許多人把目光投向復合多鐵材料。即利用可控的薄膜生長技術，同時生長鐵電、鐵磁兩種材料，并利用兩種材料之間的應力耦合或交換偏執作用實現磁電的間接耦合。例如：在單相多鐵材料 BFO 或傳統鐵電材料 BaTiO3 上，生長鐵磁性薄膜 La0.7Sr0.3MnO3、CoFe、Co 等。如圖 1.5 所示利用兩種材料界面處不同自由度之間的耦合，實現上下兩種材料之間的磁電耦合。