基于G-K规则的BiFeO3基准同型相界室温多铁性材料探索及磁电效应研究

Multiferroic materials in which magnetism and ferroelectricity coexist exhibit rich physical properties like magnetoelectric effect due to the coupling of lattice, spin and charge. Multiferroic materials have wide potential application in the areas of information storage, etc. Though BiFeO3 is one of the most promising room-temperature multiferroics, it still has its drawbacks such as weak magnetism and weak magnetoelectric effect at room temperature. In the present proposal, the Goodenough-Kanamori (G-K) rules will be used as the basis of designing the multiferroic materials with strong magnetization. Based on our previous work, the Morphotropic phase boundary (MPB) in the solid solutions between BiFeO3 and multiferroic Sr1-xBaxMnO3、RCrO3(R=La, Dy, Bi) or BiCoO3 will be selected as the research objects in the present proposal. It is expected that these MPB systems with multiple magnetoelectric coupling mechanisms should show strong room-temperature magnetization and strong magnetoelectric effect. The main study of the proposal will be focused on the effect of the special crystal structure, magnetic interactions and origin of ferroelectricity on the coupling of microscopic magnetic domains and ferroelectric domains, and macroscopic magnetoelectric effect in the MPB. The correlation between the magnetoelectric effect and the crystal structure, magnetic interactions, etc., is to be established. These studies can provide some experimental and theoretical help in exploring new room-temperature multiferroic materials with strong magnetoelectric coupling.

同时具有磁性和铁电性的多铁性体系，存在晶格、自旋、电荷等多自由度的耦合，从而表现出磁电效应等丰富的物理现象，而且在信息存储等领域有着广阔的应用前景。BiFeO3是当前最有应用前景的室温多铁性材料之一，但因其室温磁性弱、磁电效应小等缺点，难以实用化。本项目拟在已有工作基础上，基于Goodenough-Kanamori(G-K)规则进行磁性设计，利用多种磁电耦合机制相结合，选取BiFeO3与具有不同晶体结构的多铁性Sr1-xBaxMnO3、RCrO3(R=La、Dy、Bi)、BiCoO3等体系复合，形成准同型相界，实现具有强磁性及强磁电效应的室温多铁性体系。研究准同型相界处晶体结构、磁相互作用、铁电起源机制对体系微观磁畴、铁电畴之间的耦合以及宏观磁电效应的影响，建立其强磁电效应与晶体结构、磁相互作用等参量之间的关联，为进一步设计具有强磁电效应的室温多铁性材料提供思路和实验依据。

多铁性材料存在晶体结构、磁性和铁电性之间的相互耦合，因而在磁电效应微观机理研究以及数据存储、传感器等领域的潜在应用方面备受人们关注。然而作为目前最有应用前景的室温多铁性材料之一的BiFeO3，由于存在磁性小、磁电效应弱等缺点而难以实用。本研究根据Goodenough-Kanamori (G-K) 规则设计并制备了处于准同型相界(MPB)附近的BiFeO3基系列多晶及单晶体系，采用组分、磁场、电场、压力等调控手段，研究了其MPB附近样品室温多铁性和磁电效应(尤其是电控磁)及其微观机理。取得的主要成果包括：(1) 生长了BiFeO3-Bi0.5K0.5TiO3及其Cr/Mn掺杂的系列高质量多铁性单晶样品，首次在该体系MPB组分附近观察到较强的室温电控磁效应。通过原位电压及磁场下的高分辨X射线衍射实验，结合其它结构与物性的分析，发现其电控磁效应主要起源于外加电场诱导的晶格畸变和四方相-三方相之间的相变以及晶格-自旋之间的相互耦合作用。(2) 制备了(1-x)BiFeO3-xBa0.5Sr0.5MnO3系列多晶样品，发现该体系在0≤x≤0.16时为具有室温多铁性及磁电效应的三方相，而x>0.16时为非铁电立方或六方相；其中临界组分x=0.16具有增强的室温铁磁性。(3) 通过调控(1-x)BiFeO3-xBa1-ySryTiO3固溶体的x和y，获得了一系列不同组分的MPB样品，发现MPB附近体系具有增强的室温多铁性及磁电效应。(4)在(1-y)BiFe1−xCrxO3-yBaTi1−xMnxO3二元及(1-y)(0.9BiFeO3-0.1Bi0.5Na0.5TiO3)-yBaTi1-xMnxO3三元体系中，通过组分调控及元素替代，获得了一系列多铁性MPB体系，研究发现MPB组分附近体系具有明显增强的室温铁磁性及磁电效应(尤其是增强的电控磁效应)，而Cr/Mn磁性元素掺杂可进一步改善其室温铁磁性及电控磁效应。深入研究表明其电控磁可归因于电场诱导的晶格畸变和相变。(5) 研究了多铁性BiFeO3-Bi0.5K0.5TiO3-Bi0.5Na0.5TiO3单晶中无序引起的自旋玻璃态和铁磁性相互作用，发现其磁电效应与自旋晶格相互作用密切相关。(6) 研究了BaFe12-xScxO19铁氧体单晶的多铁性、磁电效应及其微观机制。