金屬所發(fā)現(xiàn)多鐵材料中鐵電極化增強(qiáng)的新機(jī)制

磁電多鐵材料是一種同時(shí)具有鐵磁性和鐵電性的多功能材料，近年來備受關(guān)注。由于其電學(xué)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)之間相互耦合，磁電多鐵材料可以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)控制電極化或者電場(chǎng)調(diào)控磁學(xué)性質(zhì)，在高密度、低能耗、高讀寫速率器件中有著廣闊的應(yīng)用前景。

磁電多鐵材料的疇壁處存在晶格、自旋、軌道和電荷等多種自由度之間的相互作用，經(jīng)常表現(xiàn)出體材料中所不具備的新奇物性，對(duì)調(diào)控材料的鐵電性和磁學(xué)性能起著重要作用。然而，由于退極化場(chǎng)的不完全屏蔽或梯度能影響，疇壁處的鐵電極化強(qiáng)度往往會(huì)降低，對(duì)材料的性能與應(yīng)用帶來不利影響。疇壁處的鐵電極化是否能夠?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)是一個(gè)具有重要科學(xué)意義與潛在應(yīng)用的基礎(chǔ)科學(xué)問題。此外，鐵電疇壁對(duì)磁電多鐵性材料的磁學(xué)性能具有重要影響，揭示鐵電疇壁處的磁性耦合機(jī)制對(duì)于深入理解其磁電行為至關(guān)重要。

為了探索疇壁處的新穎界面現(xiàn)象與物性，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心材料結(jié)構(gòu)與缺陷研究部的相關(guān)團(tuán)隊(duì)，圍繞磁電多鐵材料中鐵電疇壁處的鐵電極化行為和磁性耦合機(jī)制開展了系統(tǒng)性的研究工作，發(fā)現(xiàn)ε-Fe₂O₃中疇壁處的鐵電極化行為受束縛電荷密度的調(diào)控。研究表明，ε-Fe₂O₃薄膜中存在兩種類型的180°尾對(duì)尾鐵電疇壁。透射電鏡原子結(jié)構(gòu)表征的結(jié)果表明，在I型疇壁處出現(xiàn)了罕見的鐵電極化顯著增強(qiáng)（約43%）現(xiàn)象（如圖2所示），而在II型疇壁處的鐵電極化強(qiáng)度減弱至接近于零（如圖3所示）。第一性原理計(jì)算表明，I型疇壁處束縛電荷密度低，從而導(dǎo)致其鐵電極化增強(qiáng)；II型疇壁處的束縛電荷密度高，從而導(dǎo)致其鐵電極化減弱（如圖4所示）。I型和II型鐵電疇壁處的磁性耦合方式分別為反鐵磁性耦合和鐵磁性耦合（如圖5所示），它們對(duì)ε-Fe₂O₃的磁學(xué)性能具有重要影響。該研究表明磁電多鐵材料中疇壁處的鐵電極化可表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的現(xiàn)象，鐵電疇壁在其磁學(xué)性能方面也發(fā)揮著重要作用，這不僅深化了人們對(duì)磁電多鐵材料中豐富物理現(xiàn)象與行為的認(rèn)識(shí)，還為提升其性能及推進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用提供了新思路。

該工作得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家青年基金和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。相關(guān)研究結(jié)果于7月19日在Nature Communications上在線發(fā)表，題為“Ferroelectric polarization and magnetic structure at domain walls in a multiferroic film”。論文的共同第一作者為陶昂博士、江亦瀟副研究員和陳珊珊博士，通訊作者為陳春林研究員和馬秀良研究員，葉恒強(qiáng)院士指導(dǎo)了研究工作。

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圖1.（a）ε-Fe₂O₃的原子結(jié)構(gòu)，（b）ε-Fe₂O₃的磁結(jié)構(gòu)，（c）ε-Fe₂O₃的鐵電極化，（d）ε-Fe₂O₃相沿[1 ?00]方向的HAADF像。

圖2. （a,c）I型疇壁分別沿[100]和[1 ?00]方向的HAADF像，（b,d）對(duì)應(yīng)的模擬HAADF像，（e）疇壁附近不同原子層的相對(duì)位移量，（f）計(jì)算得到的不同原子層的相對(duì)位移量和對(duì)應(yīng)的鐵電極化強(qiáng)度。I型疇壁處的鐵電極化強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。

圖3. （a,c）II型疇壁分別沿[100]和[1 ?00]方向的HAADF像，（b,d）對(duì)應(yīng)的模擬HAADF像，（e）疇壁附近不同原子層的相對(duì)位移量，（f）計(jì)算得到的不同原子層的相對(duì)位移量和對(duì)應(yīng)的鐵電極化強(qiáng)度。II型疇壁處的鐵電極化強(qiáng)度降低到接近于零。

圖4. 疇壁處鐵電極化增強(qiáng)或減弱的物理機(jī)制。（a）I型疇壁的原子模型與束縛電荷分布，（b）II型疇壁的原子模型與束縛電荷分布。疇壁處的鐵電極化行為受束縛電荷密度的調(diào)控。

圖5. （a）I型疇壁的態(tài)密度圖，（b）II型疇壁的態(tài)密度圖。I型疇壁兩側(cè)的磁矩為反平行排列，形成反鐵磁性耦合；II型疇壁兩側(cè)的磁矩為平行排列，形成鐵磁性耦合。