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的多鐵性材料，在高速、低能耗的電寫(xiě)磁讀式高密度信息存儲等方面具有很大的應用前景。相比其它電場(chǎng)調控磁性的方法，如基于自旋轉移力矩(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于磁電效應調控方法的能耗更低，因而尤其值得關(guān)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(lǐng)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(diǎn)。
尹利華副研究員近年來(lái)一直致力于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(chǎng)的極其敏感特性，與BiFeO3的室溫多鐵性相結合，進(jìn)行室溫多鐵性準同型相界材料設計，以期實(shí)現室溫強磁電耦合效應(尤其是電控磁效應)。基于此，固體所研究人員設計并制備了一系列(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(guò)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系的結構與物性相圖及準同型相界(圖1)。研究結果表明，Mn摻雜可有效提高體系的室溫鐵磁性；該系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，并且鐵磁性的增強可進(jìn)一步提高室溫電控磁效應，如圖2所示；該體系室溫電控磁效應與電場(chǎng)誘導的相轉變和晶體結構畸變密切相關(guān)。相關(guān)結果發(fā)表于Applied Physics Letters 。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。
在以上研究基礎上，為了進(jìn)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的微觀(guān)機理，研究人員制備了0.58BiFeO3-0.42Bi0.5K0.5TiO3高質(zhì)量單晶樣品。研究結果表明，該單晶樣品處于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(cháng)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(chǎng)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，并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(xiàn)的特征電壓相對應，如圖3所示；外加磁場(chǎng)可抑制電場(chǎng)誘導的相轉變進(jìn)而弱化電控磁效應。該研究結果進(jìn)一步證實(shí)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及其可能的微觀(guān)機理，并為探索具有強室溫電控磁效應的實(shí)用化的低功耗多鐵性信息存儲器件提供參考和依據。相關(guān)結果發(fā)表于Acta Materialia。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(chǎng)中心孫玉平研究員為論文的共同通訊作者。
上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項目的資助。
