近期，中科院合肥物質(zhì)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(jié)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(diào)控(即，電控磁效應(yīng))及其調(diào)控微觀機理研究方面取得系列重要進展。相關(guān)工作相繼發(fā)表于Applied Physics Letters 和Acta Materialia。      兼具磁性和鐵電性的多鐵性材料可用于多態(tài)存儲器件。特別是具有強磁電耦合效應(yīng)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面具有很大的應(yīng)用前景。相比其它電場調(diào)控磁性的方法，如基于自旋轉(zhuǎn)移力矩(spin-transfer torque)/自旋軌道矩(spin-orbit torque)效應(yīng)的電流調(diào)控法等，絕緣多鐵性材料中基于磁電效應(yīng)調(diào)控方法的能耗更低，因而尤其值得關(guān)注。BiFeO3作為極少數(shù)的具有應(yīng)用前景的室溫多鐵性材料之一，在自旋電子器件領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力，但其仍然存在鐵磁性及磁電效應(yīng)均較弱以及調(diào)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于利用準同型相界處晶體結(jié)構(gòu)的特殊性及其晶體結(jié)構(gòu)對外電場的極其敏感特性，與BiFeO3的室溫多鐵性相結(jié)合，進行室溫多鐵性準同型相界材料設(shè)計，以期實現(xiàn)室溫強磁電耦合效應(yīng)(尤其是電控磁效應(yīng))?；诖耍腆w所研究人員設(shè)計并制備了一系列(1-y)(0.9BiFeO3-0.1Bi0.5Na0.5TiO3)-yBaTi1-xMnxO3 (0.0≤x≤0.15, 0.1≤y≤0.3)三元體系多晶陶瓷樣品；通過對其結(jié)構(gòu)與鐵電、介電、壓電等物性的表征與測試結(jié)果的分析構(gòu)建了該體系的結(jié)構(gòu)與物性相圖及準同型相界(圖1)。研究結(jié)果表明，Mn摻雜可有效提高體系的室溫鐵磁性；該系列樣品在準同型相界附近表現(xiàn)出增強的室溫鐵電性、壓電性和電控磁效應(yīng)，并且鐵磁性的增強可進一步提高室溫電控磁效應(yīng)，如圖2所示；該體系室溫電控磁效應(yīng)與電場誘導(dǎo)的相轉(zhuǎn)變和晶體結(jié)構(gòu)畸變密切相關(guān)。相關(guān)結(jié)果以“Enhanced electric field control of magnetism in ternary BiFeO3-based ceramics”為題發(fā)表于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-xMnxO3三元體系組分相圖及其準同型相界區(qū)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(yīng)。

在以上研究基礎(chǔ)上，為了進一步深入研究并理解處于準同型相界附近的多鐵性BiFeO3體系具有的增強室溫電控磁效應(yīng)的微觀機理，研究人員制備了0.58BiFeO3-0.42Bi0.5K0.5TiO3高質(zhì)量單晶樣品。研究結(jié)果表明，該單晶樣品處于準同型相界附近偏四方相一側(cè)的區(qū)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(xiàn)出不同的本征電控磁行為；在外加電場下單晶樣品出現(xiàn)了明顯的晶體結(jié)構(gòu)相變及結(jié)構(gòu)畸變，結(jié)構(gòu)畸變隨電壓的變化規(guī)律與磁矩隨電壓的變化規(guī)律一致，并且相轉(zhuǎn)變及結(jié)構(gòu)畸變所對應(yīng)的特征電壓與電控磁(M-E)曲線的特征電壓相對應(yīng)，如圖3所示；外加磁場可抑制電場誘導(dǎo)的相轉(zhuǎn)變進而弱化電控磁效應(yīng)。該研究結(jié)果進一步證實了多鐵性BiFeO3體系在準同型相界附近具有明顯增強的室溫電控磁效應(yīng)及其可能的微觀機理，并為探索具有強室溫電控磁效應(yīng)的實用化的低功耗多鐵性信息存儲器件提供參考和依據(jù)。相關(guān)結(jié)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(fā)表于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(yīng)、原位電壓下高分辨X-射線衍射譜(XRD)的演化以及{002}PC晶面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。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119044

https://doi.org/10.1063/5.0133946