新型多铁性材料(1-x) AR2Fe2O7 - x A3Sn2O7的磁电性能研究

It is still quite challenging to achieve single-phase multiferroics with coexistence of ferroelectricity and ferromagnetism or magnetoelectric coupling effect near room temperature for the last ten years. Recently, it is proposed that the coexistence of tilting and rotation modes of oxygen octahedral can induce the ferroelectricity, while net magnetic moment can be reserved under the tilting modes of oxygen octahedral. Therefore, it is possible to realize the switching of ferroelectricity/ferromagnetism by manipulating these distortions. Along this line, this proposal focuses on system with tilting and rotation modes of oxygen octahedral. By combination of the theoretical prediction and experimental characterization, the (1-x) AR2Fe2O7 - x A3Sn2O7-based compounds with good insulation and coexistence of multiple distortion modes will be investigated. We will focus on two or three representative materials to systematically investigate the crystal structure, ferroelectricity, magnetism, and magnetoelectric coupling effect. The physical mechanism emerging from these materials will be concluded. Our proposal will push forward the progress to hunt for novel near-room temperature multiferroics with better performance.

过去十多年，在单相多铁材料中实现近室温铁电/铁磁性以及磁电耦合效应是一项充满挑战的课题。最新的研究表明，氧八面体中的倾斜与旋转畸变模式共存可以诱导铁电性，并且氧八面体倾斜可以诱导出铁磁分量产生净磁矩，调控这种畸变就可实现铁电性(P)或铁磁性(M)的翻转，实现磁电耦合。本申请以氧八面体旋转与倾斜畸变模式共存能够诱导铁电/铁磁性与磁电耦合的理论为导向，通过理论预测和实验表征筛选出具有良好绝缘性与多重晶格畸变模式共存的(1-x) AR2Fe2O7 - x A3Sn2O7化合物体系。系统地研究2-3种具有代表性材料的结构、铁电性、铁磁性以及磁电耦合效应，归纳出其中的物理机制，为寻找近室温、极化大、磁性强、磁电耦合强的新型多铁性材料奠定基础。

本项目设计合成出了具有良好绝缘性与多重晶格畸变模式共存的多铁性化合物体系，系统的研究铁电性/铁磁性与晶格畸变之间的关系，揭示磁电耦合新物理效应及其机制。虽然具体研究体系、方法和具体方案上与实际运行有一定的区别，但是关键科学问题上却保持基本一致，取得了一系列的研究进展，完成了既定的目标。主要研究成果可简单概括为四点：(1) 在非常规铁电体材料Ca3Mn2O7中，实现了磁电相互调控；(2) 系统研究了NdCrTiO5，Sm2BaCuO5，(Co, Ni, Mn)4Nb2O9等化合物体系的磁电性能；(3)合成筛选出了具有多重晶格畸变模式共存[1-x](Sr0.4Ca0.6)1.15Tb1.85Fe2O7+[x]Sr3Sn2O7化合物，研究了其结构和磁学性质；(4) 深入研究了多重畸变模式与铁电极化和铁磁性的对应关系，归纳出其中的物理机制，为寻找近室温、大铁电极化、铁磁性、磁电互相调控且具有应用潜力的新型多铁性材料提供物理基础。三年来，在项目资助下共发表 17 篇 SCI 论文，包括 Applied Physics Letters (4)，其中1篇选为Featured articles；Ceramics International (3)；Chemical Communications (1)；Inorganic Chemistry (1)；Journal of Materiomics (1)；RSC Advances (1)；Journal of Applied Physics (1)；其他文章5篇。同时应邀在 J. Phys. D: Appl. Phys.上发表多铁性物理综述文章 1 篇。积极参加国内外学术会议，并做邀请/口头/张贴报告5次。在本项目资助下，指导硕士研究生5人次,其中1人获得硕士学位。