不含铁磁元素的纳米晶室温多铁材料研究

同时具有铁电和磁有序的室温多铁材料可方便地实现电场对磁化矢量以及磁场对电极化矢量的控制与反转，有望在自旋磁电子学、传感控制、信息存储等领域存在重要应用前景。遗憾的是，目前发现的绝大部分单相多铁性材料在低温才有磁电耦合效应， 这严重限制了其应用。另外已发现的单相多铁性材料绝大部分为铁电与反铁磁共存、耦合， 而具有室温单相多铁化合物却极少。钛酸铋钠系列材料是一种很有希望的无铅压电陶瓷候选材料，本身具有铁电性。本项目将制备钛酸铋纳系列室温铁电、铁磁纳米晶多铁材料， 并探索其铁磁性的来源；研究材料中的磁电容及磁电耦合效应。 本项目对理解不含铁磁元素的氧化物的室温铁磁性起源、探索新型常温磁电耦合效应有重要意义，对未来发展磁场控制的压电传感器也有重要参考价值。

同时具有铁电和铁磁的室温多铁材料可方便地实现磁电调控， 有望在自旋磁电子学、传感控制、信息存储等领域存在重要应用前景。遗憾的是目前发现的单相磁电多铁材料数量很稀少，而且绝大部分单相多铁性材料在低温才有磁电耦合效应，这严重限制了其应用。在本项目中，我们成功制备了多种不含铁磁元素的纳米晶以及薄膜室温铁磁铁电共存的多铁材料，诸如纳米晶钛酸铋纳、钛酸铋纳钾、钛酸铅、钛酸铅镧、Pr2Ti2O7以及钛酸铋纳薄膜。这些纳米晶材料铁磁铁电共存的多铁性灵敏依赖于退火温度以及退火时间， 而薄膜多铁依赖于沉积温度、沉积气氛以及后退火温度。一般不含铁磁元素的铁电陶瓷材料是无磁性的。 我们实验发现纳米晶钛酸铋纳、钛酸铋纳钾与铌酸钾钠薄膜的室温磁性与阳离子空位相关；而钛酸铅、钛酸铅镧、Pr2Ti2O7的室温磁性与氧空位有关。 第一性原理计算发现钛酸铋纳中的Bi空位和O空位不能引入磁性。而Na和Ti空位可在NBT中引入铁磁性，主要由于氧的2p自旋极化。对比Na和Ti空位的形成能，认为主要是纳米晶粒表面Na空位导致室温铁磁性。钠空位在钛酸铋纳钾也引入磁性，但磁矩比钛酸铋纳低，该结果与实验一致。在BaNb2O6中，氧空位以及Nb空位可引入磁性，源自于Nb-4s或O-2p的自旋极化。由于氧空位具有低得多的形成能，该室温铁磁性可能源自氧空位。计算发现Li空位， Nb空位和Ta空位可在LiNbO3或LiTaO3中产生磁性，其主要由于氧2p极化。而氧空位可在LiNbO3中产生磁性，源于Nb-4s自旋极化；但在LiTaO3却不能。当Ca，Sr，Ba 和F，Cl，Br 掺杂到LiNbO3 体系中时，体系会产生磁性, 主要源于Nb -4s 电子的自旋极化。我们在多铁钛酸铋纳、钛酸铋纳钾、钛酸铅以及铌酸钾钠薄膜观察到很强的磁电容，同时在钛酸铋纳、钛酸铋纳钾、钛酸铅镧、铌酸钾钠发现极化电场增强饱和磁化强度的现象， 揭示了这些多铁材料中存在的磁电耦合现象。室温多铁材料以及室温磁电耦合的探索发现，不仅具有非常重要的科研意义，对未来磁电应用器件的研发也具有参考价值。