多鐵性材料的介紹

　　多鐵性材料指具有2種以上初級(jí)鐵性體特征的材料，此類(lèi)性質(zhì)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(xué)及凝聚態(tài)物理中的一個(gè)寬廣的新領(lǐng)域，蘊(yùn)含著豐富的材料科學(xué)與物理學(xué)研究課題，以及可預(yù)期的廣闊應(yīng)用前景。
 

　　鐵電存儲(chǔ)器( FeRAMs)讀寫(xiě)速度快、集成度高，然而存在破壞性讀取和疲勞等問(wèn)題。磁致電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAMs)的讀取雖是非破壞性的，但卻有讀取時(shí)間較慢并且磁寫(xiě)入所需功率較大等缺點(diǎn)。多鐵性材料的出現(xiàn)為FeRAMs 和 MRAMs 各自?xún)?yōu)點(diǎn)(低功率的電寫(xiě)入操作和非破壞性的磁讀取操作)的融合提供了契機(jī)。多鐵性材料具有同時(shí)存在的鐵電性和磁性，是一種多功能材料，提供了同時(shí)用電極化和磁化來(lái)編碼儲(chǔ)存信息的可能性，而且還存在磁性和電性的強(qiáng)耦合，可以實(shí)現(xiàn)磁性和電性的互相調(diào)控，如圖 4 所示。
 

　　同時(shí)具備鐵電性和鐵磁性的多鐵材料是相當(dāng)稀少的，這主要因?yàn)榇蠖鄶?shù)鐵電性的形成是由于陽(yáng)離子偏離晶格中心并且原子d 軌道沒(méi)有電子填充，而大多數(shù)磁性的形成需要電子部分填充d 軌道，這兩者的形成機(jī)制有很大區(qū)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(chǎn)生電偶極子的那部分原子必須同導(dǎo)致磁性的原子不同。在理論上存在著不同的合成機(jī)制，在磁性材料中摻入沒(méi)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(shí)際中只有后者才會(huì)被實(shí)現(xiàn)。不同機(jī)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(gòu)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(duì)電子對(duì)并產(chǎn)生鐵電性，而 B 位則由具備磁性的陽(yáng)離子構(gòu)成。目前為止這種機(jī)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(chǔ)的多鐵材料。第二種方法是依靠特殊的幾何結(jié)構(gòu)使鐵電性和磁性共存，如 YMnO3 和 BaNiF4 都是這類(lèi)材料。近TbMnO3 也引起了人們的關(guān)注，TbMnO3 具有低對(duì)稱(chēng) 性的磁性基態(tài)和反演對(duì)稱(chēng)性差的特點(diǎn)，這就導(dǎo)致了其電極化很小，但是由于可以直接通過(guò)磁序控制其電序，所以這種材料可能有著很強(qiáng)的磁電耦合系數(shù)。同 TbM- nO3 相反的一種多鐵機(jī)制也在研究中，這種機(jī)制的原理是在鐵電材料中通過(guò)降低晶格畸變的不對(duì)稱(chēng)性來(lái)獲得微弱的鐵磁性。后在磁性材料中，非中心對(duì)稱(chēng)的電荷有序排列也會(huì)產(chǎn)生鐵電性，如 LuFe2O4。有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要我們?cè)谶@里指出，鐵電材料必然有著很好的絕緣性，否則能夠移動(dòng)的電荷會(huì)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(huì)帶來(lái)很多的問(wèn)題，例如對(duì)于部分漏電的多鐵材料，即使有著非中心對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，還是會(huì)因?yàn)橐苿?dòng)的電子而抑制了自身的鐵電性。
 

　　盡管迄今為止對(duì)于鐵電性和磁性的研究都集中于凝聚態(tài)物理范疇和相關(guān)材料，在基礎(chǔ)物理和技術(shù)應(yīng)用上仍存在大量問(wèn)題。需要觀注的主要問(wèn)題有 2 個(gè)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(rèn)識(shí)在多鐵材料中電性能和磁性能之間的耦合效率尤為重要，這是實(shí)現(xiàn)多鐵控制的基礎(chǔ)。