钙钛矿固溶体中氧八面体旋转与多铁性关系研究

Multiferroic material is regarded as‘the Holy Grail’ for its interesting physics and potential applications in information storage. Unfortunately after more than 10 years rapid development, we still do not have a single phase material with strong magnetoelectric coupling at room temperature. Generally, oxygen octahedral rotation exists in both magnetic and antiferroelectric pervoskite. Recently, it is predicted that strong magnetoelectric coupling could be realized through oxygen octahedral rotation. Thus, the proposal is to fabricate pervoskite solid solution and study the correlation between oxygen octahedral rotation with polar order, magnetic order, and magnetoelectric coupling. . We will prepare Pb(Fe2/3W1/3)O3-PbZrO3 solid solution system. Pb(Fe2/3W1/3)O3 is a multiferroic material with both short- and long-range orders of ferroelectric and magnetic but without oxygen octahedral rotation. PbZrO3 has antiferroelectricity and intrinsic oxygen octahedral rotations but has not any magnetic property. Thus, the system is an ideal model to study the correlation between oxygen octahedral rotation with polar order, magnetic order, and magnetoelectric coupling. Beyond, because of high ferroelectric Curie temperature and antiferroelectric-ferroelectric phase transition properties of PbZrO3, room temperature strong magnetoelectric coupling is expected in the system.

多铁性材料由于其丰富的物理内涵和在信息存储方面的应用前景，是凝聚态物理学研究的热点之一。遗憾的是，经过十余年的快速发展，目前仍然没有实现室温下强磁电耦合单相多铁性体系。基于磁性钙钛矿、反铁电钙钛矿都具有氧八面体旋转这一结构变形，通过氧八面体旋转可实现磁电耦合这一最近的理论研究成果，本项目拟构筑钙钛矿固溶体，实验上研究氧八面体旋转与材料极化序、磁序、和磁电耦合的关系。. 本项目拟研究的体系为Pb(Fe2/3W1/3)O3-PbZrO3。Pb(Fe2/3W1/3)O3具有多重极化序、磁序，但是不具有氧八面体旋转。PbZrO3具有极化序和氧八面体旋转，但是不具有磁性能。通过组分调制，本体系可系统研究氧八面体旋转与极化序、磁序和磁电耦合之关系。另外，由于PbZrO3高的居里点和存在反铁电-铁电相变的物理特性，本研究有望制备出室温下具有明显磁电耦合效应的单相多铁性材料。

鉴于目前单相多铁性材料研究遇到的种种瓶颈问题，本项目通过构筑钙钛矿固溶体，即结合两种钙钛矿物质本身丰富的结构、磁、电特性，以氧八面体为桥连，研究实现室温的多铁性。实验上，通过研究，成功获得了全组分、单相的Pb(Fe2/3W1/3)O3-PbZrO3固溶体粉体和陶瓷材料，详细研究了其结构、磁、电和磁电耦合效应，部分组分在室温下为具有铁磁、铁电的多铁性材料。实验研究建立了Pb(Fe2/3W1/3)O3-PbZrO3两相体系完整的相图。理论上，建立了氧八面体旋转与材料晶格尺寸关系理论，氧八面体旋转对材料极化序的影响关系理论。研究发现了关键性组分的磁、电性能具有共同的微观结构基础。研究还发现了Pb(Fe2/3W1/3)O3的压电记忆效应，磁性离子掺杂PbZrO3体系中的普适弛豫现象以及相关的巨介电效应。项目研究为这一体系材料的实用化建立了基础。