多铁性材料的介绍

　　多铁性材料指具有2种以上初级铁性体特征的材料，此类性质包括铁电性、反铁电性、铁磁性以及反铁磁性等。多铁性材料的研究是目前材料科学及凝聚态物理中的一个宽广的新领域，蕴含着丰富的材料科学与物理学研究课题，以及可预期的广阔应用前景。
 

　　铁电存储器( FeRAMs)读写速度快、集成度高，然而存在破坏性读取和疲劳等问题。磁致电阻随机存储器(MRAMs)的读取虽是非破坏性的，但却有读取时间较慢并且磁写入所需功率较大等缺点。多铁性材料的出现为FeRAMs 和 MRAMs 各自优点(低功率的电写入操作和非破坏性的磁读取操作)的融合提供了契机。多铁性材料具有同时存在的铁电性和磁性，是一种多功能材料，提供了同时用电极化和磁化来编码储存信息的可能性，而且还存在磁性和电性的强耦合，可以实现磁性和电性的互相调控，如图 4 所示。
 

　　同时具备铁电性和铁磁性的多铁材料是相当稀少的，这主要因为大多数铁电性的形成是由于阳离子偏离晶格中心并且原子d 轨道没有电子填充，而大多数磁性的形成需要电子部分填充d 轨道，这两者的形成机制有很大区别。因此为了将铁电性和铁磁性融合在同一的单相材料中，偏离晶格中心而产生电偶极子的那部分原子必须同导致磁性的原子不同。在理论上存在着不同的合成机制，在磁性材料中掺入没有 d 轨道电子的元素或者在铁电材料中掺入具备磁性的元素。但在实际中只有后者才会被实现。不同机制的多铁材料为今后的研究提供了广阔的空间。一种多铁材料的构建原理是具备磁性的钙钛矿氧化物(ABO3 型)，A 位原子提供弧对电子对并产生铁电性，而 B 位则由具备磁性的阳离子构成。目前为止这种机制典型的单相材 料是铁酸铋(BiFeO3 )，如图 5 所示，是一种以 Bi 为基础的多铁材料。第二种方法是依靠特殊的几何结构使铁电性和磁性共存，如 YMnO3 和 BaNiF4 都是这类材料。近TbMnO3 也引起了人们的关注，TbMnO3 具有低对称 性的磁性基态和反演对称性差的特点，这就导致了其电极化很小，但是由于可以直接通过磁序控制其电序，所以这种材料可能有着很强的磁电耦合系数。同 TbM- nO3 相反的一种多铁机制也在研究中，这种机制的原理是在铁电材料中通过降低晶格畸变的不对称性来获得微弱的铁磁性。后在磁性材料中，非中心对称的电荷有序排列也会产生铁电性，如 LuFe2O4。有一个关键问题需要我们在这里指出，铁电材料必然有着很好的绝缘性，否则能够移动的电荷会使电极化消失，然而很多铁磁材料是含有金属的，并且绝大部分磁性绝缘体只具备反铁磁序。这样材料的绝缘性也会带来很多的问题，例如对于部分漏电的多铁材料，即使有着非中心对称的结构，还是会因为移动的电子而抑制了自身的铁电性。
 

　　尽管迄今为止对于铁电性和磁性的研究都集中于凝聚态物理范畴和相关材料，在基础物理和技术应用上仍存在大量问题。需要观注的主要问题有 2 个方面:一是合成电偶极子同磁性自旋序共存于一身的材料;第二是充分认识在多铁材料中电性能和磁性能之间的耦合效率尤为重要，这是实现多铁控制的基础。