固体所在多铁性BiFeO3固溶体中观察到室温电控磁效应

近期，中科院合肥物质院固体所功能材料物理与器件研究部尹利华副研究员，采用将准同型相界的特性与室温多铁性相结合的策略，在多铁性BiFeO3基固溶体单晶和陶瓷块材的室温下电场对磁性的调控(即，电控磁效应)及其调控微观机理研究方面取得系列重要进展。相关工作相继发表于Applied Physics Letters 和Acta Materialia。      兼具磁性和铁电性的多铁性材料可用于多态存储器件。特别是具有强磁电耦合效应的多铁性材料，在高速、低能耗的电写磁读式高密度信息存储等方面具有很大的应用前景。相比其它电场调控磁性的方法，如基于自旋转移力矩(spin-transfer torque)/自旋轨道矩(spin-orbit torque)效应的电流调控法等，绝缘多铁性材料中基于磁电效应调控方法的能耗更低，因而尤其值得关注。BiFeO3作为极少数的具有应用前景的室温多铁性材料之一，在自旋电子器件领域具有巨大应用潜力，但其仍然存在铁磁性及磁电效应均较弱以及调控所需电压仍然较高等缺点。

尹利华副研究员近年来一直致力于利用准同型相界处晶体结构的特殊性及其晶体结构对外电场的极其敏感特性，与BiFeO3的室温多铁性相结合，进行室温多铁性准同型相界材料设计，以期实现室温强磁电耦合效应(尤其是电控磁效应)。基于此，固体所研究人员设计并制备了一系列(1-y)(0.9BiFeO3-0.1Bi0.5Na0.5TiO3)-yBaTi1-xMnxO3 (0.0≤x≤0.15, 0.1≤y≤0.3)三元体系多晶陶瓷样品；通过对其结构与铁电、介电、压电等物性的表征与测试结果的分析构建了该体系的结构与物性相图及准同型相界(图1)。研究结果表明，Mn掺杂可有效提高体系的室温铁磁性；该系列样品在准同型相界附近表现出增强的室温铁电性、压电性和电控磁效应，并且铁磁性的增强可进一步提高室温电控磁效应，如图2所示；该体系室温电控磁效应与电场诱导的相转变和晶体结构畸变密切相关。相关结果以“Enhanced electric field control of magnetism in ternary BiFeO3-based ceramics”为题发表于Applied Physics Letters (Appl. Phys. Lett. 122, 042903 (2023))，固体所博士生赵高超为该论文第一作者，固体所尹利华副研究员和宋文海研究员为论文共同通讯作者。

图1. (1-y)(0.9BiFeO3-0.1Bi0.5Na0.5TiO3)-yBaTi1-xMnxO3三元体系组分相图及其准同型相界区域。

图2. (1-y)(0.9BiFeO3-0.1Bi0.5Na0.5TiO3)-yBaTi1-xMnxO3固溶体准同型相界附近的室温电控磁效应。

在以上研究基础上，为了进一步深入研究并理解处于准同型相界附近的多铁性BiFeO3体系具有的增强室温电控磁效应的微观机理，研究人员制备了0.58BiFeO3-0.42Bi0.5K0.5TiO3高质量单晶样品。研究结果表明，该单晶样品处于准同型相界附近偏四方相一侧的区域，是反铁磁体且奈尔温度约为257.5 K，其在室温下具有短程磁相互作用及长程铁电序，在奈尔温度以下及室温下表现出不同的本征电控磁行为；在外加电场下单晶样品出现了明显的晶体结构相变及结构畸变，结构畸变随电压的变化规律与磁矩随电压的变化规律一致，并且相转变及结构畸变所对应的特征电压与电控磁(M-E)曲线的特征电压相对应，如图3所示；外加磁场可抑制电场诱导的相转变进而弱化电控磁效应。该研究结果进一步证实了多铁性BiFeO3体系在准同型相界附近具有明显增强的室温电控磁效应及其可能的微观机理，并为探索具有强室温电控磁效应的实用化的低功耗多铁性信息存储器件提供参考和依据。相关结果以及以“Control of magnetism at low electric field in multiferroic 0.58BiFeO3-0.42Bi0.5K0.5TiO3 single crystal near morphotropic phase boundary”为题发表于Acta Materialia (Acta Mater. 2023, DOI: 10.1016/j.actamat.2023.119044)。固体所尹利华副研究员为论文第一作者，尹利华副研究员与强磁场中心孙玉平研究员为论文的共同通讯作者。

图3. 0.58BiFeO3-0.42Bi0.5K0.5TiO3单晶在不同温度下的电控磁效应、原位电压下高分辨X-射线衍射谱(XRD)的演化以及{002}PC晶面间距随外加电压的变化。

上述研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119044

https://doi.org/10.1063/5.0133946