钛酸锶系列材料多铁性诱导及机理研究

Quantum paraelectric SrTiO3 has many strange properties，such as electric and optics, which are widely used in communication, digital storage, etc. Recently many studies found that stress and a few elements doping in materials can induce new interesting phenomena and performance, which will extend the application of SrTiO3 to wider application fields including multiple-state storage. So SrTiO3 will be as the research object in this project. We are going to study the influence of transition metal doping on SrTiO3 multiferroic performances. Through the measurement of ferroelectricity, magnetism, dielectricity and magnetoelectricity coupling combined with the observation of microscopic domain structure by SPM, we will study the physical laws related with the multiferroic properties of SrTiO3 based materials, and thus looking for the mechanism of magnetoelectricity coupling effect.

量子顺电体钛酸锶具有奇异的电学和光学等特性，广泛应用于通信、数字存储等领域。最近的研究发现应力以及少量元素掺杂可以在钛酸锶材料中诱导出有意思的新现象和新性能，将钛酸锶的应用延伸至多态存储等更广阔的应用领域。因此本项目拟以钛酸锶为研究对象，系统研究过渡金属掺杂对钛酸锶的多铁性能的诱导。通过铁电、磁性、介电和磁电耦合等宏观性能的测量，结合SPM微观畴结构的观察，研究钛酸锶系列材料中过渡金属掺杂与多铁性关联的物理规律，澄清磁电耦合效应的物理机制。

具有钙钛矿结构的钛酸锶系列材料因其特殊的磁、电性能在电子及信息等领域有着非常广泛的应用前景，特别是近年来多铁性理论的发展为该类材料的研究注入了新的活力。本项目特别关注钛酸锶系列材料的掺杂改性及相关机理分析，主要成果包括：（1）在稀磁Fe掺杂的SrTiO3（STO）陶瓷中获得了室温铁磁性，原因在于随着更多的低价Fe离子占据Sr位，Fe离子之间形成铁磁双交换作用以及非线性键合的机会增多。（2）发现Fe掺杂STO中同时存在低温下的偶极玻璃行为，源于偏心占据Sr位的Fe离子和氧空位形成的缺陷偶极子的弛豫极化。（3）制备了Mn掺杂STO多晶薄膜，在150K温度下获得高达31%的介电可调谐性，并且发现该调谐行为和极化同步变化，可能源于相同的机制，即Mn2+偏心替代A位的Sr2+形成的极化微区或偶极子；发现变价磁性离子相关的机制在MnTiO3的磁性及介电调控方面也同样适用。（4）尝试了更加广泛的掺杂改性手段，提示结构畸变及不同元素共掺杂也能造成更多不等价磁性离子，从而改变磁、电相互作用。上述工作揭示了磁、电及耦合性能提高的根源在于多种因素造成的相邻不等价磁性离子增多，进而产生的局域磁、电相互作用增强，对于新型多功能集成材料的设计及制备具有重要的参考价值。项目执行期间发表SCI论文22篇，其中通讯作者18篇，包括Adv. Mater. 1篇、Appl. Phys. Lett. 3篇、Sci. Rep. 2篇。