多铁性材料和磁电耦合效应

       自铁电性材料被发现以来，科学家就在不断努力，希望把铁电性和其他铁性（特别是铁磁性）能耦合起来。在这条多铁性耦合的道路上，科学家们的愿望便是能找到一种材料，同时具有铁电性和铁磁性。这种同时具有铁电性和铁磁性的材料，便被大家称作多铁性材料。多铁性材料（multiferrorics）在 1994 年由瑞士科学家 Schmid 提出，其定义为：同时具有两种或两种以上“铁性”的材料。多铁材料中不同铁性之间相互作用的示意图如图 1.3 所示。其中 P、M、ε分别代表自然界中常见的三种铁序：铁电、铁磁、铁弹。它们分别可以通过电场、磁场、应力场实现状态改变。T 为科学家预言的“铁环”序，以及其他可能存在的铁性 O，如轨道序、手性序等。

值得特别一提的是，多铁性材料中，具有钙钛矿结构的 BiFeO3（BFO），作为现今为止发现的wei一的室温以上存在多铁性的材料，近些年来受到各国科研工作者的关注和追捧。BFO 材料具有高的居里温度点（TC～1100 K）、高聂耳温度点（TN～650 K）、无铅的压电特性以及在可见光区域的大的柔韧性。BFO 属于Bi 系钙钛矿结构化合物，如图 1.4，其晶包沿体对角线方向存在菱方（rhombohedral）畸变。为了简化理解，我们一般选取单位晶包的一半作为赝立方结构晶包，以米勒指数赝立方<111>方向标注这一方向。基于赝立方结构，BFO 的晶格常数为 3.96 Å，菱方的结构的倾角为 89.3-89.4o。晶胞中 A 位 Bi3+离子的 6s2 孤对电子具有高化学活性，可以与 O2-的 2p 电子形成杂化轨道，从而使 Bi 和 FeO6 八面体之间存在沿<111>方向较大的相对位移，这也正是 BFO 材料铁电性的来源。BFO 沿<111>方向具有～150 微库cm /大小的自发极化，这一极化强度值大于绝大多数传统铁电材料，因此它也是本文研究铁电材料物性调控的重要研究对象之一。

人们找寻多铁性材料的目的，是为了实现电场控制磁化强度或磁场控制电极化大小。这种相互控制被称作磁电耦合。然而，已知的多铁性材料多数磁电共存的温度都很低（室温一下），且温度范围窄，不稳定。而室温多铁材料 BFO 自身为铁电反铁磁材料，其磁电耦合强度十分弱。因此，许多人把目光投向复合多铁材料。即利用先进可控的薄膜生长技术，同时生长铁电、铁磁两种材料，并利用两种材料之间的应力耦合或交换偏执作用实现磁电的间接耦合。例如：在单相多铁材料 BFO 或传统铁电材料 BaTiO3 上，生长铁磁性薄膜 La0.7Sr0.3MnO3、CoFe、Co 等。如图 1.5 所示利用两种材料界面处不同自由度之间的耦合，实现上下两种材料之间的磁电耦合。