新型A位有序钙钛矿磁电多铁电性材料的高压制备与物性研究

Magnetoelectric multiferroics is a kind of very intriguing material system in both fundamental research and practical application. Unfortunately, however, the study of multiferroic is now suffering from a bottleneck problem. The breakthrough of material is usually dependent on the presence of special experimental method to stabilize a special structure framework with specific physical functionalities. The A-site ordered perovskite with chemical formula AA’3B4O12 provides a unique opportunity to greatly promote the study of multiferroic. In this peculiarly ordered perovskite, both A’ and B sites accommodate transition-metal ions, giving rise to A’-A, B-B, and A’-B multiple novel interactions, which may provide different magnetoelectric coupling pathways. Moreover, the strong interactions between the A’-site and B-site sublattices can enhance the magnetoelectric phase transition temperature as well as the coupling intensity. Because of the presence of strong Jahn-Teller distortion, high pressure and high temperature conditions are often needed to prepare A-site ordered perovskite. Benefits from our speciality and experience in high pressure synthesis, in this project, we will use our special high-pressure and high-temperature apparatuses to prepare a series of novel A-site ordered multiferroic perovskites. By changing the different ionic combinations between the A’ and B sites, we will try to increase the magnetoelectric phase temperature, enhance the coupling intensity and reveal the novel multifrroic mechanisms. It is highly expected to obtain a series of promising and creative research results by this project.

磁电多铁电性材料是基础研究与应用研究极具吸引力的材料体系，但目前正遭遇瓶颈。材料的突破往往依赖于特殊实验手段的运用以稳定特殊晶体结构从而实现特定功能。化学式为AA’3B4O12的A位有序钙钛矿为突破性发展多铁电性研究提供契机。在此特殊有序钙钛矿中，A’位与B位同时容纳过渡金属离子，由此产生A’-A’、B-B、A’-B等多重新颖相互作用，为实现磁电耦合提供多重途径。并且，A’位与B位子晶格内部及彼此间通常具有很强的相互作用，为提高磁电耦合相变温度与耦合强度提供了可能。由于强Jahn-Teller畸变的出现，A位有序钙钛矿的制备需要高压高温极端条件。本项目将充分发挥申请人在高压制备方面的特长与经验，利用独特的高压高温设备研制系列A位有序钙钛矿等多铁电性材料，通过调控A’、B位不同离子组态实现较高温度下的磁电耦合，提高耦合强度，揭示新的多铁机理。本项目的研究将带来一系列有前景的创新性研究成果。

磁电多铁性材料是指同时具有磁有序与电极化有序的一类多功能材料，利用两种有序的共存和相互耦合，可以实现磁场调控电极化或者电场改变磁性质，具有广泛的应用前景。目前多铁性材料研究正遭遇瓶颈，主要表现为材料体系较少，同一单相体系中难以兼容大电极化强度与强磁电耦合。化学式为AA'3B4O12的A位有序钙钛矿因A'位与B位均可容纳具有磁电活性的过渡金属离子，通过调控这两个位置的离子组合，可设计具有特殊性能的多铁性材料。本项目利用独特的高压高温制备技术，率先获得了BiMn3Cr4O12等多个A位有序钙钛矿多铁性材料，详细研究了材料的晶体结构与综合物理性质，发现了系列新颖物理性质，并揭示了相关物理机制。在单相材料BiMn3Cr4O12中同时观察到第一类多铁相与第二类多铁相，从而罕见地实现了大铁电极化与强磁电耦合。进一步，本项目也获得了其他多铁性材料体系，特别是在高压制备的白钨矿DyCrO4中发现了大线性磁电耦合效应以及磁场诱导的铁磁铁电多铁性，净磁矩高达7uB/f.u.，使强铁磁性与铁电极化这两种难以兼容属性耦合起来。在本项目的资助下，研究团队在Adv. Mater.、NPG Asia Mater.、JACS等期刊上发表学术论文23篇（特邀综述3篇），其中申请人作为通讯作者的论文21篇，1篇被Adv. Mater.选为封二论文、1篇被NPG Asia Mater.选为亮点推荐论文、1篇被Inorg. Chem.选为封面论文、1篇被Chin. Phys. B选为封面论文、1篇入选中国精品科技期刊顶尖学术论文（F5000）；在高压新材料方面申请了发明专利3项，其中已授权1项；培养了多名优秀青年科研人才。本项目取得的成果进一步促进了国际多铁性新材料与物理的发展，有效提高了我国学者在这一重要前沿领域的国际竞争力与显示度。