磁電多鐵性材料是指同時(shí)具有磁有序與電化有序的類多功能材料,，用兩種有序的共存和相互耦合,，可以實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)控電化或者電場改變磁性質(zhì)。多鐵性材料作為具有重要應(yīng)用前景的自旋電子學(xué)材料體系獲得了廣泛研究,，有望用于實(shí)現(xiàn)下代信息存儲(chǔ)器,、可調(diào)微波信號處理器、超靈敏磁電傳感器等域,。而實(shí)際應(yīng)用要求材料同時(shí)具備大的電化強(qiáng)度以及強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng)，且這種兼容性在以往的單相多鐵材料中很難存在,。因此,，尋找兼具這兩種異性能的單相多鐵性材料是十分迫切但又挑戰(zhàn)的科學(xué)問題。

    近期,，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室龍有文研究員（Quantum Design公司用戶）團(tuán)隊(duì)，用*的高溫高壓技術(shù),，*次成功制備了具有A位有序鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BiMn₃Cr₄O₁₂體系,，并罕見地發(fā)現(xiàn)該單相材料同時(shí)具備大電化強(qiáng)度以及強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)。

圖1 BiMn₃Cr₄O₁₂的系列磁電測試結(jié)果（a）磁化率及其居里-外斯定律擬合,；（b）比熱與介電常數(shù),；（c）熱釋電與電化強(qiáng)度；（d）磁化曲線,；（e）低溫?zé)後岆姡唬╢）低溫電化強(qiáng)度

    通過磁化率,、磁化強(qiáng)度,、比熱、介電常數(shù),、電化強(qiáng)度,、電滯回線、高分辨電鏡,、同步輻射X光衍射與吸收譜,、中子衍射等系列綜合結(jié)構(gòu)表征與物性測試，龍有文團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),，隨著溫度降低，BiMn₃Cr₄O₁₂在135 K經(jīng)歷了個(gè)鐵電相變,，在該鐵電相變溫度以下可觀察到顯著的電滯回線,，并導(dǎo)致大電化強(qiáng)度的出現(xiàn),。

圖2 BiMn₃Cr₄O₁₂不同溫度下的電滯回線，展示了大電化強(qiáng)度

    當(dāng)溫度降低到125 K時(shí),，BiMn₃Cr₄O₁₂經(jīng)歷了個(gè)反鐵磁相變,，中子衍射證明該反鐵磁轉(zhuǎn)變源于B位Cr³⁺離子的G-型長程反鐵磁有序，而A'位的Mn³⁺離子仍未形成磁有序,。在125 K以下,，長程磁有序與鐵電化共存，但該反鐵磁序不能誘導(dǎo)電化相變,，因此材料進(jìn)入到具有大電化強(qiáng)度的*類多鐵相（電化強(qiáng)度可能會(huì)比較大,，但磁電耦合很小）,。

圖3 磁場對BiMn₃Cr₄O₁₂電化的調(diào)控,，展示了強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng) 

    當(dāng)溫度繼續(xù)降低至48 K時(shí)，A'位的Mn³⁺離子也實(shí)現(xiàn)G-型長程反鐵磁有序,，并且A'位Mn³⁺離子與B位Cr³⁺離子起組成的自旋有序結(jié)構(gòu)導(dǎo)化磁點(diǎn)群的形成,，可以打破空間反演對稱性。因此,，48K時(shí)的反鐵磁相變誘導(dǎo)另個(gè)鐵電相變,，伴隨強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng)的出現(xiàn)，此時(shí)材料同時(shí)呈現(xiàn)第二類多鐵相（材料具有較強(qiáng)的磁電耦合,，但電化強(qiáng)度往往很弱）,。由此可見，低溫下BiMn₃Cr₄O₁₂既包含*類多鐵相又包含第二類多鐵相,，從而大的電化強(qiáng)度與強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng)在這單相多鐵材料中同時(shí)實(shí)現(xiàn),，突破了以往這兩種效應(yīng)在單相材料中難以兼容的瓶頸，大大推進(jìn)多鐵性材料的潛在應(yīng)用,。 

    相關(guān)研究結(jié)果于近期發(fā)表在Adv. Mater. 29, 1703435（2017）, 并被該期刊選為Inside Cover,。該工作獲得了國內(nèi)外同行的廣泛合作，同時(shí)獲得了科技部,、國家自然科學(xué)基金委,、中國科學(xué)院等項(xiàng)目的支持。

文章來源：（中國科學(xué)院物理研究所 | 北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室,，zui終解釋權(quán)歸中國科學(xué)院物理研究所 | 北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室所有）