单相多易感、多场耦合材料诱导及性能调控

With the rapid development of information and technology, the requirements of minimization of volume and multifunctional of devices is increasingly urgent. Thus, the induction of multi-susceptibile and multi-field-coupling single-phase materials is one of the important research topics in the field of information functional materials. In this project, we choose Rare earth garnet (RIG) and M-type hexagonal ferrites (AFe12O19), which are widely applied in the fields of gyromagnetism, permanent magnetism, microwave, and magneto-optical, as the main research objects. We will control the properties of materials by valence fluctuation, size and strain effect. By combination the macroscopic experimental results and the microcosmic domain observations, the experimental observation and the theoretical calculation, the effects of valence fluctuation, size and strain on the structure, domain structure and macroscopic properties will be systematically investigated. As a result, we will put forward the universal methods to introduce ferroelectricity and high dielectric constant in RIG and AFe12O19 materials, and meanwhile clarify the mechanism of the presence of ferroelectricity and multi-field-coupling. Based on these results, multi-susceptibile and multi-field-coupling single-phase materials with excellent electric and magnetic properties will be prepared. The achievements of this project will help the design of new type multi-field-coupling and multifunctional devices.

随着信息技术的发展，器件小型化、集成化的要求日趋迫切，所以发展多易感、多场耦合的无铅单相材料是信息功能材料领域的重要研究课题。本项目选择在旋磁、永磁、微波、磁光等领域有广泛应用的稀土石榴石（RIG）和M-型六角铁氧体(AFe12O19)为主要研究对象，综合利用价态震荡、尺寸、掺杂应力等多种手段对材料性能进行调控。采用将宏观性能测试与微观畴观察相结合、实验观测与理论计算相结合的研究方法，系统研究价态、尺寸、应力等多种因素对材料结构、畴结构及宏观性能的影响；给出在RIG和AFe12O19材料中诱导铁电、高介电的普适方法，澄清其铁电及多场耦合的产生机理。在此基础上，制备出具有优越室温电、磁及耦合性能的单相多易感材料，为开发新一代同时具有多功能和多场耦合的集成电子器件打下基础。

随着信息技术的快速发展，器件小型化、多功能化和高可靠性的需求日趋迫切，所以发展多易感、多场耦合的无铅单相材料是材料科学研究领域的重要研究课题之一。本项目聚焦M型六角铁氧体等磁电介质材料，研究了Fe离子价态起伏、尺寸效应、掺杂、应力等多种因素对材料性能的调控作用，取得的主要成果如下：①发现了在六角铁氧体材料中诱导螺旋磁结构和多场耦合的有效方法。即利用大半径非磁性离子对M型六角铁氧体自旋向下的Fe3+进行替代，通过引入局域非零的DM相互作用，诱导螺旋磁结构和磁电耦合。该方法已通过多种元素替代验证，为在M型六角铁氧体中诱导多场耦合材料提供了一种新的途径。②通过用更小离子半径的元素替代Fe3+，可在六角铁氧体三角双锥位置引入压应力，相应的结构畸变可增加该位置阳离子相对于三角双锥赤道面的偏移量，稳定其铁电性。③通过尺寸和应力效应的联合调控，在片状BaFe12O19纳米结构中实现磁性和磁介电耦合的同时提高。④给出了Fe离子价态起伏对铁氧体材料磁介电耦合的影响及原因。基于上述结果，我们制备了几种同时具有电、磁及耦合性能的单相多易感材料，为开发新一代具有多功能和多场耦合的集成电子器件打下了基础。项目执行期间在Nat. Sci. Rev.、Phys. Rev. B、Appl. Phys. Lett.等期刊上发表SCI论文18篇，其中第一作者和通讯作者论文8篇。