多铁性Mn2FeWO6的常压拓扑合成研究

Multiferroic materials have shown great potential applications in high-performance information storage devices. However, single phase multiferroic materials are rare due to the stringent recipe conditions and intrinsic contradiction between ferroelectricity and ferromagnetism. The polar and magnetic Mn2FeWO6 with predicted spontaneous polarization constant of 67.8 μC/cm2 is one of the most promising multiferroic compound. However, the polycrystalline Mn2FeWO6 synthesized under high temperature and high pressure hinders further studies of ferroelectric/magnetoelectric behavior. Therefore, it is essential to growth Mn2FeWO6 single crystals at ambient pressure. It has been confirmed that topochemical reaction is one of the most effective methods for preparing high pressure phase under ambient pressure. In this project we utilize the ambient-pressure prepared compounds as precursors, including Li4FeWO6 and Na4FeWO6, to stabilize the high-pressure Mn2FeWO6 phase via topochemical reactions at lower cost, and thus study the crystal growth mechanism and detailed magnetoelectric properties of the target phase. These findings will methodologically benefit the preparation of other multifunctional high-pressure phases at ambient pressure.

多铁材料在高性能信息存储等领域展现出巨大的应用前景，然而目前单相多铁材料种类稀少且合成困难，难以满足信息产业发展的需求。近期合成的多铁性Mn2FeWO6极性磁氧体理论极化常数高达67.8 μC/cm2，是最具有应用前景的磁电材料之一。但高温高压条件下合成的多晶Mn2FeWO6样品成本居高且无法进行深入的性能测试。因此，常压低成本合成Mn2FeWO6晶体成为关键。拓扑置换法是常压下制备高压相的有效手段之一。本项目拟以晶态Mn2FeWO6的常压合成为研究对象，采用拓扑置换法，以可常压下合成的A4FeWO6 (A = Li, Na)为前驱体，进行目标相晶态材料制备，开展其晶体生长机理和性能表征等方面的研究；发展高压相在常压下的拓扑置换合成方法，为其它高压相材料的低成本制备从方法学上提供指导。

磁电多铁材料电子器件可满足大容量、高速度、低能耗等现代信息产业的发展需要，已成为自旋电子学器件研究的前沿热点。然而，由于铁电和铁磁材料在化学键和电子结构方面的互斥性性，设计和制备极性磁材料具有很大挑战，造成磁电多铁性材料十分稀少，现存材料大多实用性差。异常钙钛矿材料是一类新型的磁、电多功能材料，该类材料的合成通常需要高温高压等苛刻条件且晶体样品生长困难。因此在常压下制备晶态多铁材料，是深入研究磁电多铁材料性能并继续探索新型磁电材料的关键。项目期间，在常压低成本合成新型异常钙钛矿磁电多功能材料思想的指导下，通过拓扑置换法得到一种新型铜铁矿型化合物Cu3LiRu2O6，表明拓扑置换法是合成新型磁电材料的一种有效方法。高通量计算与实验结合发现新型异常双钙钛矿化合物Mn3TeO6和Co3TeO6，为新型异常钙钛矿材料的设计与合成提供了有力指导。同时通过化学压力和柔性物理压力相结合合成的方法得到新型极性磁体(Li1−xMnx)(Fex/2Nb1−x/2)O3，为极性磁体的大尺寸合成和降低高压合成的花费提供了可能。这些结果都为探索具有优异性能磁电性能的多功能钙钛矿材料提供了新的研究思路。相关研究成果在Chem. Mater., Npj Quantum Mater., J. Mater. Chem. C, Chem. Commun.等高水平刊物上发表SCI文章8篇。