多场作用下低维钴铁氧体-钛酸钡复合磁电材料磁电耦合效应的电镜原位研究

Magneto-electric multiferroic materials are recently one of the hottest research topic in material science and condensed matter physics, which is because of not only their unique and novel physical properties from a fundamental point of view, but also the future multifunctional devices. This project is aimed to dynamically explore the phase structure, atomic polarization and domain structure in CoFe2O4-BaTiO3 magnetoelectric composite at the nano and atomic scale. The real time changes of phase structure, ferroelectric/magnetic domain structure, atomic polarization and atomic structure under the biased of external magnetic and electric field with different direction and intensity will be investigated by using a dedicated electrical-magnetizing TEM holder combined with Lorentz transmission electron microscopy (LTEM), electro-holography technique and ultrafast image capture system. Comprehensive research on how the morphology and crystalline size of the CoFe2O4-BaTiO3 magnetoelectric composites affect their magneto-electric behaviors will be carried out. In combination with theoretical simulation and calculation, a physical model revealing the intrinsic magneto-electric coupling effect in multifunctional magnetoelectric composites will be tried to bring out. This project is believed to contribute useful experimental and theoretical knowledge for the development of smart magnetoelectric composites.

低维磁电多铁材料是近年来材料科学和凝聚态物理研究的热点，原因不仅在于它们呈现出的新奇物理性质所具有的重要基础研究价值，而且被认为有望满足未来多功能器件的实际应用需要。本项目拟通过化学合成和真空溅射方法制备低维钴铁氧体-钛酸钡复合磁电材料，借助球差矫正透射电子显微镜，利用洛伦兹透射电镜/电子全息技术和超高速图像采集系统，通过原位加载磁场、电场作用下实时观测材料的微观结构、原子极化、相变和畴结构的动态变化过程。系统研究形貌、晶粒尺寸对材料微观磁电性能的影响，在原子尺度上探索钴铁氧体/钛酸钡复合磁电材料磁电耦合效应和磁电相互调制的深层次物理机理，为该类材料的开发和应用提供实验依据。

磁性纳米材料与相关器件因其独特的物理性质及广泛的应用价值成为材料科学与凝聚态物理研究热点之一。本项目通过静电纺丝的办法设计了不同低维铁氧体以及铁氧体/钛酸钡复合磁电材料，借助球差矫正透射电子显微镜和洛伦兹透射电镜/电子全息技术，通过原位加载磁场实时观测材料的微观结构和畴结构的动态变化过程。系统研究尺寸、维度、晶体结构、取向、结晶性对材料微观磁结构和磁性能的影响，构建了磁各向异性、微观磁结构与性能的关系，为铁氧体纳米材料及其功能器件的磁结构调控、优化提供研究基础。本项目从方法、材料和机理研究多个角度推动纳米磁学在理论研究与实际应用上的发展。主要成果有.I）以三种不同形貌的M-型钡铁氧体为例，系统研究了磁晶各向异性对单轴各向异性磁性材料微观磁结构的影响。在多晶钡铁氧体纳米片中形成了了涡旋磁结构，而在单晶钡铁氧体纳米片和单颗粒链纳米线中形成了畴态。证明了磁晶各向异性对单轴各向异性磁性材料中起主导作用，晶粒细化可有效打破磁晶各向异性的作用。.II）通过电子全息技术，对镍铁氧体纳米线单体的磁化过程进行了原位研究，揭示了形状各向异性是影响其微观磁结构的主要因素。组成纳米线的基本单元为单畴颗粒，且单畴状态保持到200 Oe。同时证明了该纳米线的磁化反转过程为卷曲转动。.III）基于“环-链”模型对管状镍铁氧体纳米材料的磁化反转机制与结构、尺寸的关系进行了研究，证明了了当磁场与纳米管轴向夹角小于45.3°时，其磁化反转过程为symmetric fanning机制。当磁场与纳米线平行时矫顽力的理论值为271 Oe，接近于其实验值225 Oe，证明了该模型的合理性。.IV）磁涡旋态与单畴结构在数据存储领域有着广泛的应用价值。我们通过尺寸与维度的调控在钴铁氧体纳米一种材料中实现了不同磁结构的调控。证明了在直径90nm的钴铁氧体纳米线中形成了多畴结构，当直径减小到60 nm时形成了单畴结构，而在钴铁氧体纳米片中形成了磁涡旋结构。这些实验结果都得到了微磁学模拟的验证。