六角鐵氧體磁電特性的研究進展

肖帥

摘 要 多鐵性是指材料同時具有鐵電性和鐵磁性，研究表明鐵電性能由復雜的磁序列來誘導產(chǎn)生，但常常在較低的溫度下和較高的磁場下發(fā)生（>0.1T），最近發(fā)現(xiàn)的六角鐵氧體在室溫弱場下（<0.01T）表現(xiàn)出了磁電耦合現(xiàn)象，在新型器件的應(yīng)用方面具有潛在價值。

關(guān)鍵詞 多鐵性；室溫弱場；磁電耦合；六角鐵氧體

中圖分類號：TB34 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）08-0184-01

材料具有鐵電性是指在沒有外場的作用下，材料內(nèi)部分為若干電疇，各個電疇內(nèi)部的電偶極矩方向一致，稱之為自發(fā)極化；與之相應(yīng)的概念是鐵磁性，指磁性材料中出現(xiàn)自發(fā)磁化現(xiàn)象。磁電多鐵是一種既具有鐵電性同時具有鐵磁性，并且兩種特性之間不是相互孤立，而是存在耦合現(xiàn)象的的材料，其中多鐵性是指在同一相的材料中存在兩種或兩種以上初級鐵性能，如鐵電，鐵磁，鐵彈。

1 單相磁電材料簡介

1894年，Pierre Curie利用對稱理論指出鐵電鐵磁可能同時存在與同一種介質(zhì)材料中，并且彼此之間存在耦合作用，在1960年，Astrov首次在方硼石（Ni3B7O13I）中觀察到了磁電耦合的現(xiàn)象，在隨后的數(shù)十年中，許多具有不同結(jié)構(gòu)的磁電多鐵材料被發(fā)現(xiàn)，如BiMnO3、CuCrO2等，上述材料的磁電耦合的特性只能在低溫下被觀測到，直到2003年，BiFeO3薄膜在室溫下被觀測到鐵電和磁性的共存，不久之后的2005年，人們觀測到六角晶系的Y型鐵氧體110K的溫度下能夠在外磁場作用下鐵電極化。

單相多鐵材料的多鐵性一般可以分為2種，第一類多鐵性材料和第二類多鐵性材料，其中第一類多鐵性材料的鐵電性和鐵磁性的起源彼此分離，鐵電序和鐵磁序的共存溫度低，磁電耦合強度較弱。第二類多鐵性材料的鐵電序與鐵磁序之間根據(jù)某種關(guān)系有著間接的聯(lián)系，主要分為三種：1）磁致應(yīng)力（the exchange-stiction mechanism）產(chǎn)生極化，這一理論最早用于解釋Cr2O3中的磁電特性，正交晶系的RMnO3也可以用這一機理解釋，鐵電性由對稱的交換作用引起，不需要具備形成非共線的自旋結(jié)構(gòu)；2）d-p雜化理論（d-p hybirdization mechanism），這一理論用于解釋弱對稱結(jié)構(gòu)，同時具有非共線磁序列的晶體中，如CuFeO2和CuCrO2；3）自旋電流理論（spin-current mechanism），電極化是由非共線的磁序列構(gòu)成的，當磁矩排列以螺旋的自旋形式排列時，引發(fā)的自發(fā)極化便排列在一個方向，這一理論很好解釋了在TbMnO3中的鐵電性，許多磁誘導的鐵電性都表現(xiàn)出非共線的自旋結(jié)構(gòu)[2，3]。第二類多鐵性材料通常其磁電耦合性強于第一類磁電多鐵性材料，但兩類多鐵性材料的耦合性都較弱，并且耦合溫度處于低溫下，難以達到實際的應(yīng)用，第二類多鐵性材料還存在電阻率小，無法利用高電場控制磁性的缺點。而近年來發(fā)現(xiàn)的六角鐵氧體在方面則具有優(yōu)勢，在較高的溫度下能觀測到磁電耦合，并且通過工藝手段能獲得較高的電阻率，是目前為止較為理想的磁電多鐵材料。本文就將對六角晶系鐵氧體的磁電耦合特性作相關(guān)的

介紹。

2 磁電六角鐵氧體

六角鐵氧體屬于六角晶系，長期以來一直作為微波材料而得到應(yīng)用，所有的六角鐵氧體都可以認為是由三種基本結(jié)構(gòu)堆積而成，R[（Ba，Sr）Fe6O11]2-結(jié)構(gòu)，S[Me2Fe4O8]結(jié)構(gòu)和T[（Ba，Sr）Fe8O14]。

M： （Ba，Sr）Fe12O19 RSR*S*

W： （Ba，Sr）Me2Fe16O27 RS2R*S*2

Y ： （Ba，Sr）2Me2Fe12O22 TST‘ST“S”

Z ： （Ba，Sr）3Me2Fe24O41 RSTSR*S*T*S*

X： （Ba，Sr）2Me2Fe28O46 （RSR*S*2）3

U： （Ba，Sr）4Me2Fe36O60 （RSR*S*TS*）3

并非所有六角鐵氧體在基態(tài)都具有鐵磁序列，M型、W型、Y型都具有非共線的自旋序列，按照前文所述的理論，僅有形成共線螺旋自旋序列材料中才會出現(xiàn)自發(fā)的鐵電極化。因此，六角鐵氧體按照這一觀點又可以分為能產(chǎn)生自發(fā)極化和在外磁場誘導下產(chǎn)生鐵電自發(fā)極化兩種類型。下面分別以Y型和Z型來說明。

2.1 六角Y型鐵氧體

六角Y型鐵氧體分子式為[（Ba，Sr）2Me2Fe12O22]，其結(jié)構(gòu)屬于R3m點群（Z=3），由于其自旋結(jié)構(gòu)是非螺旋的，因此不會出現(xiàn)自發(fā)的鐵電極化現(xiàn)象。其結(jié)構(gòu)中的L塊自旋較大（μL），其S塊的自旋較小（μs），Y型鐵氧體可以看作L與S交替堆疊而成，各自的磁矩與ab面平行，其中Fe-O-Fe引發(fā)的超交換作用在穿過了這些不同塊的邊界。

根據(jù)DM原理，Y型鐵氧體中的螺旋磁結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生自發(fā)的鐵電極化，但在加垂直于c軸的磁場時，其螺旋結(jié)構(gòu)的方向會隨磁場發(fā)生偏移形成非共線的自選結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)自發(fā)磁化，磁場進一步增大時，其磁矩會隨外磁場方向趨于一致，自發(fā)鐵電極化下降。研究表明Ba0.5Sr1.5Zn2Fe12O22在外磁場為1T時，自發(fā)極化最大值達到了150μC/m2（30K），在外磁場繼續(xù)增大時，自發(fā)極化減小，在不同的外場下，會呈現(xiàn)出不同的磁結(jié)構(gòu)。其他Y型鐵氧體如Ba2Mg2Fe12O22及（Ba，Sr）2Zn2（Fe，Al）12O22也表現(xiàn)出了磁電效應(yīng)，但在弱場下（約10mT）就能引發(fā)自發(fā)的電極化，盡管Y型鐵氧體的磁序列能在室溫以上保持，但其電磁耦合性能僅能在110K下觀測到，這可能是由于Y型鐵氧體的電阻率較低，在130K以上難以維持大量的宏觀的自發(fā)鐵電極化。相對介電常數(shù)和介電損耗角正切會隨溫度而上升，盡管最近有利用氧氣氛令Y型鐵氧體的電阻率上升的報道，但仍然不足以令其在室溫下表現(xiàn)出磁電特性。

2.2 六角Z型鐵氧體

Z型鐵氧體屬于P63/mmc空間點群，其結(jié)構(gòu)為RSTSR*S*T*S*，Z型鐵氧體在氧氣氛下處理后電阻率可達109 Ω·cm，因此其介電系數(shù)和損耗相對較小，在室溫下能表現(xiàn)出鐵電性。與Y型鐵氧體一樣，F(xiàn)e-O-Fe存在于T塊中，隨著Sr含量的上升，其夾角在Sr3Co2Fe24O41中可達到123°，對其磁結(jié)構(gòu)進行中子衍射表明在400K以下，在其內(nèi)部都存在橫向的自旋序列，從而出現(xiàn)自發(fā)的鐵電極化。

2.3 其他六角鐵氧體

其他的六角鐵氧體也表現(xiàn)出磁場誘導鐵電極化的現(xiàn)象，如M型Ba（Fe，Sc，Mg）12O19，其具有縱向自旋結(jié)構(gòu)，在外磁場下能表現(xiàn)出鐵電極化，但遺憾的是其電阻率較小，只能在低溫下觀測到該現(xiàn)象。U型（Sr4Co2Fe36O60）在350K下表現(xiàn)出了磁電耦合的現(xiàn)象，但遠小于Z型鐵氧體，大約為（0.2 μC/m2）。

3 結(jié)論

磁電六角鐵氧體因去其復雜的磁結(jié)構(gòu)而具有磁電耦合的性質(zhì)，通過磁場來誘導電極化的發(fā)生通常由于材料低電阻率而只能在較低的溫區(qū)中觀測到，最近發(fā)現(xiàn)的Z型鐵氧體以及其他一些六角鐵氧體在室溫弱場下能夠發(fā)生鐵電極化的現(xiàn)象，這在室溫下磁場控制鐵電極化是重要的一步，在新型器件如多態(tài)存儲器有著潛在的應(yīng)用價值，具有更良好性能的六角鐵氧體在進一步的探索、研究中。

參考文獻

[1]Schmid H. 1994. Ferroelectrics 162：38-317.

[2]Jia C， Onoda S， Nagaosa N， Han JH. 2006. Phys.Rev.B74：224444.

[3]Jia C， Onoda S， Nagaosa N， Han JH. 2007. Phys.Rev.B76：144424.endprint