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

撰稿: 金屬研究所 發(fā)布時(shí)間:2024-07-22

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。