1.2　多鐵性材料

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鐵序是指材料中某種矢量型的序參量。四種初始鐵有序性分別是鐵磁性（ferromagnetism），鐵電性（ferroelectricity），鐵彈性（ferroelasticity）和鐵渦性（ferrotoroidicity）。多鐵性是指材料中同時顯示兩種或兩種以上的初始鐵序[27]。廣義上的多鐵性允許材料顯示的鐵序可以是初始序參量也可以是非初始序參量，例如反鐵磁性、亞鐵磁性、反鐵電性等。多鐵性材料同時具有鐵電、反鐵磁等多種鐵序，不同序參量間耦合作用可產生磁與電之間的交叉調控，有望實現集成鐵電性與磁性的新一代多功能器件，如新型磁電傳感器件、自旋電子器件、高性能信息存儲器件等。研究新一代多鐵性磁電材料中各種相互作用和有序規律，利用材料基因組計劃發現新的量子現象和調控方法，不僅是材料和物理學科自身發展的需求，而且可能成為今后對人類社會經濟發展有重大影響的基礎科學問題，是孕育發展新一代信息技術和能源技術的材料基礎。近年來，隨著Nature（《自然》）和Science（《科學》）等雜志對以TbMnO₃和BiFeO₃為代表的幾個多鐵性化合物體系的報道，人們開啟了對多鐵性物理機制的新認識，在世界范圍內掀起了多鐵性材料的研究高潮[28，29]。Science雜志在2007年底的“Areas To Watch”中預測，多鐵性材料作為唯一的物理問題是2008年最值得關注的7大研究熱點領域之一。我國在多鐵性材料的研究中瞄準科學前沿，緊跟世界潮流，奮力前進。我們國內多次組織召開了關于多鐵性材料的高層次科學會議，例如，2016年10月在上海大學組織召開了第八屆亞太多鐵性物質物理研討會；2017年7月召開的中國材料大會特別將多鐵性材料設置為一個分會場。

1.2.1　多鐵性材料領域的基本研究內容

近年來，多鐵性材料的研究方興未艾，如火如荼，其基本研究內容可歸納為以下幾個方面[30]。

①多鐵性產生機制、磁電耦合機理與單相多鐵性材料的設計合成。主要目的是探究多鐵性產生機制、磁電耦合機理，設計合成多鐵性發生溫度高、磁電耦合作用強的新材料體系，促進多鐵性材料實用化。

②多鐵性異質結的設計、制備與磁電調控器件。主要目標是發展異質結磁電調控的新原理與新概念，在此基礎上設計并構建高品質多鐵性異質結，實現室溫下電磁調控，并結合微電子技術研制新型多鐵性多態存儲新器件及新一代電磁耦合多功能器件。

③多鐵性材料的關聯電子新效應。多鐵性材料屬于典型的強關聯電子體系，探索與挖掘多鐵性材料中源于關聯電子物理的相關新效應是多鐵性研究的重要內容之一，典型的效應包括磁致電阻、電致電阻、阻變效應、光子激發響應等；亦涉及多鐵性材料與半導體材料的界面問題。

④基于材料基因組基本理念及基因設計（化學元素選擇與結構單元構建）建立多鐵性材料的高通量計算模型和方法。在高通量計算平臺框架下，發展具有定量意義的跨尺度模擬計算方法及軟件，有針對性地拓展第一性原理計算及多尺度計算模擬并應用于多鐵性新材料及異質結設計，揭示多鐵性材料的鐵電、磁、磁電耦合效應的根源及其隨結構、成分及外場的變化規律，對多鐵性中多重鐵性序參量的基態與低能激發態、電-磁相互耦合與調控、結構-性能關系提供具有定量意義的預言與指導。通過高通量計算設計與高通量材料合成及表征的有機結合，最終實現基于多鐵性磁電材料的新一代磁電器件。

1.2.2　單相多鐵性材料的分類

目前發現的單相多鐵性材料還為數甚少，主要原因是電有序和磁有序在同一相中具有的“天生”互斥性。比如，在典型的ABO₃結構鐵電體中，B位過渡金屬離子具有空的d軌道；而對于磁性材料來說，具有自旋單電子是產生磁性的必要條件。所以，基于傳統理論，電有序與磁有序不能共存于同一單元中。人們通過對已發現的ABO₃結構單相多鐵性材料多鐵性的研究，提出了多種電有序和磁有序的共存機制。2009年Khomskii[31]根據鐵電序產生機制的不同將多鐵性材料分為兩類。第一類多鐵性材料的電有序和磁有序來源于不同單元，各自在很大程度上分別獨立出現，“井水不犯河水”，兩者之間的耦合作用弱。這類材料中鐵電性比磁性出現的溫度高，而且電極化比較強。典型的例子有：ns2電子構型離子（Bi3+和Pb2+等）產生的鐵電性[32-34]，如BiFeO₃（T_FE≈1100K，T_N=643K，P≈90μC/cm2）；幾何阻挫產生的鐵電性，如六方YMnO₃[35]（T_FE≈914K，T_N=76K，P≈6μC/cm2）；電荷有序產生的鐵電性，如Pr_0.5Ca_0.5MnO₃[36]。第二類多鐵性材料的鐵電性是由磁有序結構產生的，因而磁電耦合作用較第一類多鐵性材料要強。如在Ca₃CoMnO₆中，鐵電性與共線（collinear）磁結構共存。然而更多情況則是鐵電性與螺旋（spiral）磁結構共存。如正交TbMnO₃[37]中螺旋磁序產生的鐵電性。最近還發現了一些新的鐵電產生機制，如Gd/DyFeO₃[38，39]中稀土離子與鐵離子的相互作用導致的磁致伸縮而產生的鐵電性；LaMn₃Cr₄O₁₂是迄今為止第一個被發現的具有立方鈣鈦礦結構的多鐵性材料，其電極化由Cr3+和Mn3+的自旋有序所引起，屬于典型的第二類多鐵性材料[40]。

1.2.3　多鐵性材料的發展方向和應用前景

多鐵性材料有望促成集成鐵電性與磁性的新一代多功能器件的誕生，如新型磁電傳感器件、自旋電子器件、高性能信息存儲器件等。多鐵性材料的發展方向和應用前景主要體現在下述幾個方面[30]。

①多鐵性磁電耦合材料的發展對于未來信息存儲技術革命意義重大。利用多鐵性材料多重量子序參量的競爭和共存，量子調控材料的多物理場行為是不同于傳統半導體微電子學的全新方法，是后摩爾時代電子技術發展方向之一。例如，在信息存儲領域，磁存儲技術仍是目前大容量數據存儲（如個人電腦、超級計算機）的主導技術，但磁寫速度慢、能耗高是其突出的瓶頸問題。此外，20世紀90年代中期提出的基于磁存儲技術的磁隨機存儲器（MRAM），更被認為有希望取代目前其他所有隨機存儲器件，成為可適應所有電子設備中信息存儲需要的“通用存儲器”，具有巨大的商業應用潛力。然而，MRAM在其發展過程中遇到的主要瓶頸也在于數據寫入過程中電流產生的大量焦耳熱耗散。多鐵性磁電耦合材料使用電壓而非電流來調控磁化方向的特性，將焦耳熱耗散量降至最低，可從根本上解決高能耗問題，實現新一代超低功耗、快速的磁信息存儲及處理等，與目前基于電流驅動的磁存儲技術相比，具有重大發展性意義。

②多鐵性材料概念的內涵與外延得到擴展的同時，其應用領域也不斷擴大。得益于近10年來的廣泛與深入研究，多鐵性材料領域產生了一批豐富的研究成果，繼而提出了一系列重要的科學技術問題與挑戰。這些成果一方面豐富與拓寬了傳統鐵電材料、磁性材料等學科領域的內涵與外延，包括提出了新的概念和理論，發展了新的材料設計原理與制備方法；另一方面也顯著拓展了鐵電性、磁性及相關特性的應用領域。

③需要深入了解和掌握新一代多鐵性磁電材料中各種相互作用和有序規律并從中發現新的量子現象和調控方法。這不僅是材料和物理學科自身發展的需求，并有可能成為今后20～30年對人類社會經濟發展產生難以估量的影響的重大基礎科學問題，更重要的是這些新現象及其調控方法中孕育著新一代信息技術和能源技術賴以發展的基礎。