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(men) 大的願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(yi) 為(wei) ：同時具有兩(liang) 種或兩(liang) 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(men) 分別可以通過電場、磁場、應力場實現狀態改變。T 為(wei) 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(wei) 現今為(wei) 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(guan) 注和追捧。BFO 材料具有高的居裏溫度點（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 屬於(yu) Bi 係鈣鈦礦結構化合物，如圖 1.4，其晶包沿體(ti) 對角線方向存在菱方（rhombohedral）畸變。為(wei) 了簡化理解，我們(men) 一般選取單位晶包的一半作為(wei) 贗立方結構晶包，以米勒指數贗立方<111>方向標注這一方向。基於(yu) 贗立方結構，BFO 的晶格常數為(wei) 3.96 Å，菱方的結構的傾(qing) 角為(wei) 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(yu) O2-的 2p 電子形成雜化軌道，從(cong) 而使 Bi 和 FeO6 八麵體(ti) 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，這一極化強度值大於(yu) 絕大多數傳(chuan) 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(men) 找尋多鐵性材料的目的，是為(wei) 了實現電場控製磁化強度或磁場控製電極化大小。這種相互控製被稱作磁電耦合。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），且溫度範圍窄，不穩定。而室溫多鐵材料 BFO 自身為(wei) 鐵電反鐵磁材料，其磁電耦合強度十分弱。因此，許多人把目光投向複合多鐵材料。即利用可控的薄膜生長技術，同時生長鐵電、鐵磁兩(liang) 種材料，並利用兩(liang) 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(chuan) 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(liang) 種材料界麵處不同自由度之間的耦合，實現上下兩(liang) 種材料之間的磁電耦合。