二维单晶铁电-铁磁复合纳米结构的可控制备、表征及性能研究

In view of the fascinating theory and application value of the free-standing and low-dimensional single crystal multiferroic heterostrcuture nanocomposites for the ferroelectric/ferromagnetic composites, this program aims at obtaining two-dimensional single crystal ferroelectric/ferromagnetic PbTiO3-CoFe2O4 heterostructure nanomaterials by hydrothermal/solvothermal method. The program focuses on controllable synthesis of 2D single crystal ferroelectric/ferromagnetic PbTiO3-CoFe2O4 nanostructures with the single-crystal and single-domain PbTiO3 nanoplates as the ferroelectric, which adjust the crystal growth of CoFe2O4 nanostructures on the interface. The aberration-corrected high resolution transmission electron microscope (aberration-corrected HRTEM) is employed to explore the crystal growth, size, and density distribution of CoFe2O4 nanostructures on the interface of 2D single crystal PbTiO3-CoFe2O4, based on which the effect mechanism of the interface heterostrcuture on the magnetoelectric coupling can be revealed. By using the vibrating sample magnetometer (VSM) and piezoelectric force microscopy (PFM), the changes of the magnetization, coercive field and piezoelectric response of the single crystal ferroelectric/ferromagnetic PbTiO3-CoFe2O4 nanostructures are investigated, which can reveal the intrinsic magnetoelectric coupling effect. Furthermore, research findings will put forward the property optimization approaches of the free-standing single-crystal 2D ferroelectric/ferromagnetic composites, offering the theory basis and technical support for the development of the efficient magnetoelectric coupling decices.

鉴于低维单晶多铁异质结纳米复合材料对铁电-铁磁复合材料理论和应用的重要意义和科学价值，本项目以水热/溶剂热法制备二维单晶铁电-铁磁PbTiO3-CoFe2O4异质结纳米结构复合材料为目标，将紧密围绕单晶铁电-铁磁PbTiO3-CoFe2O4纳米结构的可控制备，以单晶单畴的PbTiO3纳米片为铁电体，调节铁电铁磁界面处铁磁体CoFe2O4的晶体生长；利用球差校正电镜等从原子尺度上揭示单晶单畴PbTiO3纳米片对CoFe2O4纳米结构在界面处的生长、尺寸及分布密度等的变化规律，揭示界面异质结构对磁电耦合效应的影响规律；利用振动样品磁强计(VSM)和压电力显微镜(PFM)研究单晶铁电铁磁PbTiO3-CoFe2O4纳米结构复合材料的磁化强度、矫顽场、压电响应等变化，揭示其本征的磁电耦合效应，提出单晶二维铁电铁磁复合材料性能的优化途径，为高效磁电耦合器件的开发提供理论基础和技术支持。

鉴于低维单晶多铁异质结构纳米复合物对铁电-铁磁复合材料理论和应用的重要意义和科学价值，本项目以单晶单畴PbTiO3(PTO)纳米片为基板，利用铁电极化调控低维单晶异质结纳米结构的选择性生长，制备铁电-铁磁复合纳米材料，从微结构深刻揭示界面对铁电、铁磁及磁电耦合效应的影响规律，揭示本征的磁电耦合效应。采用简单的二步水热法成功制备了二维单晶PTO-CoFe2O4(CFO)复合纳米结构。结果表明，CFO纳米颗粒选择性外延生长在单畴四方相钙钛矿结构PTO纳米片的正极化面上。在零场冷却下的M-T曲线上首次在PTO的铁电相转变温度（764K）附近首次观察到了一个奇特的巨大的磁电耦合效应，计算得到的PTO-CFO纳米复合结构的磁化强度总降低值∆M为(2.71±0.5)×10-3 emu，占总磁化强度的46.2%。XPS结果显示，与纯PTO纳米颗粒相比，PTO-CFO复合纳米结构存在大量的Ti3+离子，揭示了磁电耦合效应是通过铁电极化和简单相界面的有效应力传递调控的。为了进一步证实铁电极化对单晶异质结构纳米颗粒生长的选择性调控，采用两步水热法成功制备了异质结构的Au@PTO复合纳米片。研究结果表明在静电力作用和极化诱导的极化电场中正负电荷向相反方向运输的作用下，Au纳米颗粒选择性沉积在单晶单畴PTO纳米片的正极化面上。TPV研究显示Au@PTO 1.0 wt%的tmax值是纯PTO纳米片的74倍，实现了光生载流子的有效分离。此外，以葡萄糖为碳源，由水热方法制备了磁性CFO@C纳米颗粒。磁学性质表明，与纯CFO相比，由于包覆的非晶碳层使其表面自旋磁距减弱，CFO@C纳米颗粒的Ms (1.89 emu/g)和Mr (1.12 emu/g)值要低。然而合适的碳包覆量不仅增强了CFO导电性、可有效抑制其体积膨胀，还能增加电容行对放电容量的贡献，可有效提高CFO的高倍率充放电性能。本研究内容为理解和揭示磁电耦合效应提供重要的科学指导，为新型磁电耦合器件的应用提供方向。同时，利用铁电极化调控了光生载流子的分离，这为光生载流子的高效分离提供了新思路。