多鐵性材料磁電性質的理論綜述

周 凱

（裝甲兵工程學院，北京 100072）

多鐵性材料磁電性質的理論綜述

周 凱

（裝甲兵工程學院，北京 100072）

多鐵性材料由于具有鐵電和鐵磁性，部分具有鐵彈性，是一種多功能新型材料。現代社會對于儀器小型化的要求越來越高，多鐵性材料是實現這一要求的重要選擇。通過其具有的磁電耦合效應實現電場和磁場的轉換，可以實現新型功能器件的研制。文章探討多鐵性材料的基本性質和應用。

多鐵性材料；磁電性質；第一性；對稱性

現階段對于多鐵性材料的研究多集中于單相多鐵材料和磁性誘導鐵電體。隨著研究的推進，面對新的多鐵性材料所表現出的性質，常規理論已不能進行很完美的解釋。由于多鐵性材料在自旋電子器件和數據存儲方面具有重要的應用潛力。通過理論研究確定多鐵性材料的機理并深入分析所表現出的性質，對于設計和研制新型多鐵性材料具有重大而現實的意義。

1 多鐵性材料的定義及應用

1.1 多鐵性材料的定義

1970年，Aizu根據鐵電、鐵磁、鐵彈三種性質的相似點將其歸結為一類，提出了鐵性序的概念。1994年，瑞士日內瓦大學的Schimid教授首次將多鐵定義為同時存在鐵電、鐵磁或鐵彈序等兩種或者兩種以上鐵性序的材料，后來的研究又拓展到鐵性磁渦旋的體系。實際上，由于鐵彈性一般伴隨著鐵電性出現，且鐵性磁渦旋的定義及研究尚未成熟。因此，通常所指的多鐵性材料是指鐵電與鐵磁性共存的體系。多鐵性材料重要的性質是磁電禍合，即磁和電之間相互調控，最終的目的是通過電場或磁場分別實現磁化和極化的翻轉，如圖1所示。

圖1 鐵電和鐵磁性共存及相互調控

1.2 多鐵性材料的應用

多鐵性材料的應用主要集中在自旋電子器件、傳感器和數據存儲等方面。鐵磁性與鐵電性的共存有利于實現器件小型化和多功能化，如使四態邏輯存儲成為可能。磁和電之間可能存在的禍合為多鐵材料帶來了額外的功能。利用電場翻轉磁化，或者通過磁場轉換電極化，可以設計全新的功能器件。通過磁電禍合實現的電場控制磁性提供了結合鐵電隨機存儲器（FeRAM）和磁性隨機存儲器（MRAM）各自優點的可能。

2 多鐵性材料研究進展

多鐵性材料可分為單相和復合材料兩大類。同時部分學者提出可依據鐵電性的來源不同和磁電耦合機制的不同，將其劃分為以BiFeO3為代表的多鐵性材料和以磁性誘導鐵電體為代表的多鐵性材料，其中前一種具有本征鐵電性。通過分析現階段多鐵性材料的研究進展可以看出，主要的研究方向如圖2所示。

圖2 多鐵性材料研究方向

2.1 符合多鐵性材料

復合多鐵性材料通過整合鐵磁材料和鐵電材料于一身，在磁致伸縮效應和壓電效應的基礎上，主要利用應力傳遞耦合作用以得到磁電耦合效應。通常所見的簡單復合多鐵性材料指的是一種片狀鐵電材料和磁致伸縮材料構成的層狀結構，較為復雜的結構有顆粒形式和納米尺度的復合柱狀結構，其結構示意圖如圖3所示：

圖3 CoFe204/BaTi03柱狀復合納米結構示意圖及鐵電和磁滯回線

2.2 BiFe03

2003年是對單相多鐵性材料研究的一個熱潮，正如前文提到的，單相多鐵性材料指的是具有鐵電性和鐵磁性兩種性質的單相化合物。其中以BiFeO3為代表，BiFeO3是目前研究發現的唯一一種在室溫條件下仍然具有較強性質的單相多提惡性材料。在此之外，對于BiFeO3在電場作用下的反鐵磁疇調控研究也是重大的發現，在此基礎上，Chu等研制出了能夠外延生長的BiFeO3薄膜，其

飽和鐵電極化能夠達到95μC/cm2。

2.3 磁誘導的鐵電體

此類多鐵性材料在相變過程中不在以鐵電序參量作為主要的序參量，取而代之的是收到其他序參量的控制，主要是軌道自由度和電子的自旋等。基于現階段的認識，磁誘導鐵電體被認為是實現多鐵性材料磁場控制實現電極化的最有希望的材料。由于亞鐵材料普遍具有較好的宏觀磁性，在其中尋找適合的多鐵性材料是解決磁存儲功能的最佳途徑。

3 多鐵性材料理論研究方法

對于多鐵性材料的研究主要基于以下幾種方法：第一性原理方法、對稱性分析等。其中第一性原理是基于密度反函數理論得來的，具有很高的計算精度，所以應用較廣泛。

3.1 第一性原理

第一性原理通過使用量子力學的相關理論，在不使用經驗參量的前提下，就能夠實現對于體系內所有性質的計算。其中密度泛函理論是其中最重要的理論之一。Hohenberg和Kohn最早建立密度泛函理論，可以歸結為兩個最基本的定理：①決定系統基態物理性質的基本物理量為粒子束密度函數；②系統基態的能量可以通過在控制粒子數恒定的前提下通過對能量泛函數的變分求的。在此之后，研究人員提出了局域密度近似（LDA）方法進行求解，其交換關聯能由公式（1）表示：

但是該種方法仍然存在結合能計算過高而晶格參數估計不足等缺陷，在計算具有過渡金屬和稀土元素的體系時，LDA方法精度大大下降。在尋找更為精確、適用性更強的計算理論過程中，部分學者提出了密度泛函數微擾理論（DFPT），在此技術上進行改進就是現在使用最廣泛的DFT+U方法。隨著計算機科學和數值計算方法的飛速發展，很多能夠實現較為完整FDT理論的第一性原理軟件包已經投入使用。

3.2 對稱性分析

對稱性是多鐵性材料主要的特性之一，最要由Curie提出，在進行多鐵性材料的設計中，位移性鐵電體的結構要求具有極性點群的對稱性，對于其他經過自由度誘導得到的鐵電體，雖然不要求對稱的晶體結構，但是在破壞中心反演中要求嚴格的磁對稱性。對稱性分析在BiFeO3、Ba2CoG2O7、TbMnO3等多鐵性材料的設計中都有應用。

4 結束語

文章在簡要分析多鐵性材料定義及應用的基礎上，針對于多鐵性材料的特殊性質，對于現階段成熟的對鐵性材料研究理論及方法進行了探討，對于從事該種材料研究與研制的工程人員具有一定的指導意義。

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TB741

A

2096-2789（2016）11-0097-02

周凱（1991-），男，浙江寧波人，碩士，研究方向：多鐵性復合材料的斷裂力學分析。