固體所在多鐵性BiFeO3固溶體中觀察到室溫電控磁效應

近期 ，中科院合肥物質院固體所功能材料物理與器件研究部尹利華副研究員 ，采用將準同型相界的特性與室溫多鐵性相結合的策略 ，在多鐵性BiFeO3基固溶體單晶和陶瓷塊材的室溫下電場對磁性的調控(即 ，電控磁效應)及其調控微觀機理研究方麵取得係列重要進展 。相關工作相繼發表於Applied Physics Letters 和Acta Materialia 。      兼具磁性和鐵電性的多鐵性材料可用於多態存儲器件 。特別是具有強磁電耦合效應的多鐵性材料 ，在高速 、低能耗的電寫磁讀式高密度信息存儲等方麵具有很大的應用前景 。相比其它電場調控磁性的方法 ，如基於自旋轉移力矩(spin-transfer torque)/自旋軌道矩(spin-orbit torque)效應的電流調控法等 ，絕緣多鐵性材料中基於磁電效應調控方法的能耗更低 ，因而尤其值得關注 。BiFeO3作為極少數的具有應用前景的室溫多鐵性材料之一 ，在自旋電子器件領域具有巨大應用潛力 ，但其仍然存在鐵磁性及磁電效應均較弱以及調控所需電壓仍然較高等缺點 。

尹利華副研究員近年來一直致力於利用準同型相界處晶體結構的特殊性及其晶體結構對外電場的極其敏感特性 ，與BiFeO3的室溫多鐵性相結合 ，進行室溫多鐵性準同型相界材料設計 ，以期實現室溫強磁電耦合效應(尤其是電控磁效應) 。基於此 ，固體所研究人員設計並製備了一係列(1-y)(0.9BiFeO3-0.1Bi0.5Na0.5TiO3)-yBaTi1-xMnxO3 (0.0≤x≤0.15, 0.1≤y≤0.3)三元體係多晶陶瓷樣品 ；通過對其結構與鐵電 、介電 、壓電等物性的表征與測試結果的分析構建了該體係的結構與物性相圖及準同型相界(圖1) 。研究結果表明 ，Mn摻雜可有效提高體係的室溫鐵磁性 ；該係列樣品在準同型相界附近表現出增強的室溫鐵電性 、壓電性和電控磁效應 ，並且鐵磁性的增強可進一步提高室溫電控磁效應 ，如圖2所示 ；該體係室溫電控磁效應與電場誘導的相轉變和晶體結構畸變密切相關。相關結果以“Enhanced electric field control of magnetism in ternary BiFeO3-based ceramics”為題發表於Applied Physics Letters (Appl. Phys. Lett. 122, 042903 (2023)) ，固體所博士生趙高超為該論文第一作者 ，固體所尹利華副研究員和宋文海研究員為論文共同通訊作者 。

圖1. (1-y)(0.9BiFeO3-0.1Bi0.5Na0.5TiO3)-yBaTi1-xMnxO3三元體係組分相圖及其準同型相界區域 。

圖2. (1-y)(0.9BiFeO3-0.1Bi0.5Na0.5TiO3)-yBaTi1-xMnxO3固溶體準同型相界附近的室溫電控磁效應 。

在以上研究基礎上 ，為了進一步深入研究並理解處於準同型相界附近的多鐵性BiFeO3體係具有的增強室溫電控磁效應的微觀機理 ，研究人員製備了0.58BiFeO3-0.42Bi0.5K0.5TiO3高質量單晶樣品 。研究結果表明 ，該單晶樣品處於準同型相界附近偏四方相一側的區域 ，是反鐵磁體且奈爾溫度約為257.5 K ，其在室溫下具有短程磁相互作用及長程鐵電序 ，在奈爾溫度以下及室溫下表現出不同的本征電控磁行為 ；在外加電場下單晶樣品出現了明顯的晶體結構相變及結構畸變 ，結構畸變隨電壓的變化規律與磁矩隨電壓的變化規律一致 ，並且相轉變及結構畸變所對應的特征電壓與電控磁(M-E)曲線的特征電壓相對應 ，如圖3所示 ；外加磁場可抑製電場誘導的相轉變進而弱化電控磁效應 。該研究結果進一步證實了多鐵性BiFeO3體係在準同型相界附近具有明顯增強的室溫電控磁效應及其可能的微觀機理 ，並為探索具有強室溫電控磁效應的實用化的低功耗多鐵性信息存儲器件提供參考和依據 。相關結果以及以“Control of magnetism at low electric field in multiferroic 0.58BiFeO3-0.42Bi0.5K0.5TiO3 single crystal near morphotropic phase boundary”為題發表於Acta Materialia (Acta Mater. 2023, DOI: 10.1016/j.actamat.2023.119044) 。固體所尹利華副研究員為論文第一作者 ，尹利華副研究員與強磁場中心孫玉平研究員為論文的共同通訊作者 。

圖3. 0.58BiFeO3-0.42Bi0.5K0.5TiO3單晶在不同溫度下的電控磁效應 、原位電壓下高分辨X-射線衍射譜(XRD)的演化以及{002}PC晶麵間距隨外加電壓的變化 。

上述研究工作得到國家自然科學基金 、中國科學院前沿科學重點研究項目的資助 。

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