多鐵性材料和磁電耦合效應(yīng)

自鐵電性材料被發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)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(xué)家們大的愿望便是能找到一種材料，同時(shí)具有鐵電性和鐵磁性。這種同時(shí)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(xué)家 Schmid 提出，其定義為：同時(shí)具有兩種或兩種以上“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。它們分別可以通過電場、磁場、應(yīng)力場實(shí)現(xiàn)狀態(tài)改變。T 為科學(xué)家預(yù)言的“鐵環(huán)”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(jié)構(gòu)的 BiFeO3（BFO），作為現(xiàn)今為止發(fā)現(xiàn)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(guān)注和追捧。BFO 材料具有高的居里溫度點(diǎn)（TC～1100 K）、高聶耳溫度點(diǎn)（TN～650 K）、無鉛的壓電特性以及在可見光區(qū)域的大的柔韌性。BFO 屬于Bi 系鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物，如圖 1.4，其晶包沿體對角線方向存在菱方（rhombohedral）畸變。為了簡化理解，我們一般選取單位晶包的一半作為贗立方結(jié)構(gòu)晶包，以米勒指數(shù)贗立方<111>方向標(biāo)注這一方向。基于贗立方結(jié)構(gòu)，BFO 的晶格常數(shù)為 3.96 Å，菱方的結(jié)構(gòu)的傾角為 89.3-89.4o。晶胞中 A 位 Bi3+離子的 6s2 孤對電子具有高化學(xué)活性，可以與 O2-的 2p 電子形成雜化軌道，從而使 Bi 和 FeO6 八面體之間存在沿<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(fā)極化，這一極化強(qiáng)度值大于絕大多數(shù)傳統(tǒng)鐵電材料，因此它也是本文研究鐵電材料物性調(diào)控的重要研究對象之一。

人們找尋多鐵性材料的目的，是為了實(shí)現(xiàn)電場控制磁化強(qiáng)度或磁場控制電極化大小。這種相互控制被稱作磁電耦合。然而，已知的多鐵性材料多數(shù)磁電共存的溫度都很低（室溫一下），且溫度范圍窄，不穩(wěn)定。而室溫多鐵材料 BFO 自身為鐵電反鐵磁材料，其磁電耦合強(qiáng)度十分弱。因此，許多人把目光投向復(fù)合多鐵材料。即利用可控的薄膜生長技術(shù)，同時(shí)生長鐵電、鐵磁兩種材料，并利用兩種材料之間的應(yīng)力耦合或交換偏執(zhí)作用實(shí)現(xiàn)磁電的間接耦合。例如：在單相多鐵材料 BFO 或傳統(tǒng)鐵電材料 BaTiO3 上，生長鐵磁性薄膜 La0.7Sr0.3MnO3、CoFe、Co 等。如圖 1.5 所示利用兩種材料界面處不同自由度之間的耦合，實(shí)現(xiàn)上下兩種材料之間的磁電耦合。