我國科學家利用高壓條件制備的單相多鐵性材料突破瓶頸

　　在國家自然科學基金項目（項目編號：11578378，51772324,11534015,51322206）等資助下，中國科學院物理研究所龍有文研究團隊利用高壓高溫技術首次成功制備具有A位有序鈣鈦礦結構的BiMn₃Cr₄O₁₂材料，發現該單相材料同時具備大電極化強度和強磁電耦合效應。該工作突破以往兩種優異性能在單相材料中難以兼容的瓶頸，大大推進多鐵性材料的潛在應用。成果以“Realization of Large Electric Polarization and Strong Magnetoelectric Coupling in BiMn₃Cr₄O₁₂”（大電極化與強磁電耦合在BiMn₃Cr₄O₁₂中的實現）為題，于11月21日發表在Advanced Materials（《先進材料》），并被刊登在雜志的封二上。論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201703435/full。

　　磁電多鐵性材料是指同時具有磁有序與電極化有序的一類多功能材料，利用兩種有序的共存和相互耦合，可以實現磁場調控電極化或者電場改變磁性質，有望用于實現下一代信息存儲器、可調微波信號處理器、超靈敏磁電傳感器等領域。實際應用要求材料同時具備大的電極化強度以及強的磁電耦合效應，但這種兼容性在以往的單相多鐵性材料中很難存在。因此，尋找兼具這兩種優異性能的單相多鐵性材料是十分迫切但又極具挑戰的科學問題。

　　中科院物理所龍有文研究團隊研究發現，利用高壓極端條件可以穩定化學式為AA￠₃B₄O₁₂的A位有序鈣鈦礦。在此特殊有序鈣鈦礦中，A￠位與B位同時容納過渡金屬離子，因此可通過選取合適的離子組合來調控材料的結構與磁電性質，從而誘導多重磁電多鐵相變。在這一思路的指導下，他們設計并成功制備了一個新的A位有序鈣鈦礦BiMn₃Cr₄O₁₂，發現隨溫度降低該材料依次發生具有大電極化強度的第一類多鐵相變和具有強磁電耦合效應的第二類多鐵相變，從而首次獲得兼具大電極化和強磁電耦合的單相多鐵性材料。此外，利用該材料可單獨調控的兩個鐵電相，還可以實現四重鐵電極化態的轉換，為多態存儲提供可能。

　　BiMn₃Cr₄O₁₂是目前稀有的兼具大電極化和強磁電耦合效應的單相多鐵性材料，并具有可調控的四重鐵電極化態，為研制未來先進多功能自旋電子學器件提供新的材料基礎。

圖：BiMn₃Cr₄O₁₂在不同溫度下的磁電相圖

PM = 順磁, PE = 順電, FE = 鐵電，MF = 多鐵