新型多铁性材料与磁电耦合原型器件研究

Multiferroic materials with coexisting magnetic and electric orders are potential new functional materials. They are promising candidates for realizing strong magnetoelectric coupling effects that enable electric control of electron spin and magnetic properties, and thus provide important physics and material basis for novel information technology devices. This project aims to discover new single-phase and composite multiferroic materials, study the physical mechanisms of magnetoelectric effects, design and optimize new functional devices such as sensors, microwave devices, magnetoelectric memory, transtor and memtranstor. The project combines several outstanding young researchers who have gained good reputation and achievements in the field. The joint efforts would benefit the success of this project and promote significant new progress in multiferroic materials, magnetoelectric physics, and functional devices.

多铁性材料是兼有磁性和铁电性的一类新功能材料，有望表现出较大的磁电耦合效应，从而可以实现电场对微观自旋和宏观磁性的有效调控，为发展新型信息功能器件提供了重要的物理和材料基础。本项目计划利用多种材料制备方法，探索具有高温低场强耦合的新型单相与复相多铁性材料；通过先进的实验测量与理论分析相结合，研究不同体系中产生多铁性与磁电耦合的物理机制；在材料与物理研究的基础上，设计与优化基于线性与非线性磁电耦合效应的新型功能器件，如磁电高频滤波器、超灵敏传感器、电耦器和忆耦器等。项目组成员分别在多铁性新材料探索，物理机制研究和功能器件开发三方面具有各自的特色和优良的工作基础，通过本项目的结合实现优势互补，基础研究与应用开发并进，争取在磁电耦合材料、物理和原型器件研究领域取得重要的原创性成果。

多铁性材料与磁电耦合效应是磁学与电介质物理的前沿交叉，不仅蕴含着丰富的基础科学问题，而且在信息技术、磁电传感器、能量收集与转换等领域具有重要的应用前景。本项目围绕多铁性材料与磁电耦合效应，从新材料探索、新效应与新物理机制研究、磁电耦合功能器件三方面开展了深入细致的研究工作，取得了一系列重要进展。代表性成果包括：（1）发现了几种新型单相和复合多铁性材料，创造了单相材料中磁电耦合效应的世界记录；（2）发现了一些多铁性与磁电耦合导致的新效应和新现象，如共振量子磁电耦合效应，室温巨磁电耦效应，量子电偶极液体，磁场调控氢键无序-有序相变，铁电单晶薄膜的超弹性行为等；（3）实现了室温下电场对磁性的多样调控，包括电场调控磁化强度，电场调控磁各向异性，电场调控自旋波，电场调控交换偏置等；（4）基于磁电耦合效应设计开发了一系列新型信息功能器件，如非易失信息存储器、人工神经突触器件、可调微波器件和电感器件、柔性电子器件等。本项目的研究成果已在国际知名学术期刊发表论文93篇，包括Science 1篇，Phys. Rev. Lett. 1篇，Science Advances 1篇，Nature Communications 4篇，Adv. Mater. 8篇，JACS 2篇，Adv. Funct. Mater. 3篇，ACS Nano 4篇等，申请发明专利7项，已获得美国专利授权1项，中国专利授权4项。