六角铁氧体磁电特性的研究进展

肖帅

摘 要 多铁性是指材料同时具有铁电性和铁磁性，研究表明铁电性能由复杂的磁序列来诱导产生，但常常在较低的温度下和较高的磁场下发生（>0.1T），最近发现的六角铁氧体在室温弱场下（<0.01T）表现出了磁电耦合现象，在新型器件的应用方面具有潜在价值。

关键词 多铁性；室温弱场；磁电耦合；六角铁氧体

中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0184-01

材料具有铁电性是指在没有外场的作用下，材料内部分为若干电畴，各个电畴内部的电偶极矩方向一致，称之为自发极化；与之相应的概念是铁磁性，指磁性材料中出现自发磁化现象。磁电多铁是一种既具有铁电性同时具有铁磁性，并且两种特性之间不是相互孤立，而是存在耦合现象的的材料，其中多铁性是指在同一相的材料中存在两种或两种以上初级铁性能，如铁电，铁磁，铁弹。

1 单相磁电材料简介

1894年，Pierre Curie利用对称理论指出铁电铁磁可能同时存在与同一种介质材料中，并且彼此之间存在耦合作用，在1960年，Astrov首次在方硼石（Ni3B7O13I）中观察到了磁电耦合的现象，在随后的数十年中，许多具有不同结构的磁电多铁材料被发现，如BiMnO3、CuCrO2等，上述材料的磁电耦合的特性只能在低温下被观测到，直到2003年，BiFeO3薄膜在室温下被观测到铁电和磁性的共存，不久之后的2005年，人们观测到六角晶系的Y型铁氧体110K的温度下能够在外磁场作用下铁电极化。

单相多铁材料的多铁性一般可以分为2种，第一类多铁性材料和第二类多铁性材料，其中第一类多铁性材料的铁电性和铁磁性的起源彼此分离，铁电序和铁磁序的共存温度低，磁电耦合强度较弱。第二类多铁性材料的铁电序与铁磁序之间根据某种关系有着间接的联系，主要分为三种：1）磁致应力（the exchange-stiction mechanism）产生极化，这一理论最早用于解释Cr2O3中的磁电特性，正交晶系的RMnO3也可以用这一机理解释，铁电性由对称的交换作用引起，不需要具备形成非共线的自旋结构；2）d-p杂化理论（d-p hybirdization mechanism），这一理论用于解释弱对称结构，同时具有非共线磁序列的晶体中，如CuFeO2和CuCrO2；3）自旋电流理论（spin-current mechanism），电极化是由非共线的磁序列构成的，当磁矩排列以螺旋的自旋形式排列时，引发的自发极化便排列在一个方向，这一理论很好解释了在TbMnO3中的铁电性，许多磁诱导的铁电性都表现出非共线的自旋结构[2，3]。第二类多铁性材料通常其磁电耦合性强于第一类磁电多铁性材料，但两类多铁性材料的耦合性都较弱，并且耦合温度处于低温下，难以达到实际的应用，第二类多铁性材料还存在电阻率小，无法利用高电场控制磁性的缺点。而近年来发现的六角铁氧体在方面则具有优势，在较高的温度下能观测到磁电耦合，并且通过工艺手段能获得较高的电阻率，是目前为止较为理想的磁电多铁材料。本文就将对六角晶系铁氧体的磁电耦合特性作相关的

介绍。

2 磁电六角铁氧体

六角铁氧体属于六角晶系，长期以来一直作为微波材料而得到应用，所有的六角铁氧体都可以认为是由三种基本结构堆积而成，R[（Ba，Sr）Fe6O11]2-结构，S[Me2Fe4O8]结构和T[（Ba，Sr）Fe8O14]。

M： （Ba，Sr）Fe12O19 RSR*S*

W： （Ba，Sr）Me2Fe16O27 RS2R*S*2

Y ： （Ba，Sr）2Me2Fe12O22 TST‘ST“S”

Z ： （Ba，Sr）3Me2Fe24O41 RSTSR*S*T*S*

X： （Ba，Sr）2Me2Fe28O46 （RSR*S*2）3

U： （Ba，Sr）4Me2Fe36O60 （RSR*S*TS*）3

并非所有六角铁氧体在基态都具有铁磁序列，M型、W型、Y型都具有非共线的自旋序列，按照前文所述的理论，仅有形成共线螺旋自旋序列材料中才会出现自发的铁电极化。因此，六角铁氧体按照这一观点又可以分为能产生自发极化和在外磁场诱导下产生铁电自发极化两种类型。下面分别以Y型和Z型来说明。

2.1 六角Y型铁氧体

六角Y型铁氧体分子式为[（Ba，Sr）2Me2Fe12O22]，其结构属于R3m点群（Z=3），由于其自旋结构是非螺旋的，因此不会出现自发的铁电极化现象。其结构中的L块自旋较大（μL），其S块的自旋较小（μs），Y型铁氧体可以看作L与S交替堆叠而成，各自的磁矩与ab面平行，其中Fe-O-Fe引发的超交换作用在穿过了这些不同块的边界。

根据DM原理，Y型铁氧体中的螺旋磁结构不会产生自发的铁电极化，但在加垂直于c轴的磁场时，其螺旋结构的方向会随磁场发生偏移形成非共线的自选结构而出现自发磁化，磁场进一步增大时，其磁矩会随外磁场方向趋于一致，自发铁电极化下降。研究表明Ba0.5Sr1.5Zn2Fe12O22在外磁场为1T时，自发极化最大值达到了150μC/m2（30K），在外磁场继续增大时，自发极化减小，在不同的外场下，会呈现出不同的磁结构。其他Y型铁氧体如Ba2Mg2Fe12O22及（Ba，Sr）2Zn2（Fe，Al）12O22也表现出了磁电效应，但在弱场下（约10mT）就能引发自发的电极化，尽管Y型铁氧体的磁序列能在室温以上保持，但其电磁耦合性能仅能在110K下观测到，这可能是由于Y型铁氧体的电阻率较低，在130K以上难以维持大量的宏观的自发铁电极化。相对介电常数和介电损耗角正切会随温度而上升，尽管最近有利用氧气氛令Y型铁氧体的电阻率上升的报道，但仍然不足以令其在室温下表现出磁电特性。

2.2 六角Z型铁氧体

Z型铁氧体属于P63/mmc空间点群，其结构为RSTSR*S*T*S*，Z型铁氧体在氧气氛下处理后电阻率可达109 Ω·cm，因此其介电系数和损耗相对较小，在室温下能表现出铁电性。与Y型铁氧体一样，Fe-O-Fe存在于T块中，随着Sr含量的上升，其夹角在Sr3Co2Fe24O41中可达到123°，对其磁结构进行中子衍射表明在400K以下，在其内部都存在横向的自旋序列，从而出现自发的铁电极化。

2.3 其他六角铁氧体

其他的六角铁氧体也表现出磁场诱导铁电极化的现象，如M型Ba（Fe，Sc，Mg）12O19，其具有纵向自旋结构，在外磁场下能表现出铁电极化，但遗憾的是其电阻率较小，只能在低温下观测到该现象。U型（Sr4Co2Fe36O60）在350K下表现出了磁电耦合的现象，但远小于Z型铁氧体，大约为（0.2 μC/m2）。

3 结论

磁电六角铁氧体因去其复杂的磁结构而具有磁电耦合的性质，通过磁场来诱导电极化的发生通常由于材料低电阻率而只能在较低的温区中观测到，最近发现的Z型铁氧体以及其他一些六角铁氧体在室温弱场下能够发生铁电极化的现象，这在室温下磁场控制铁电极化是重要的一步，在新型器件如多态存储器有着潜在的应用价值，具有更良好性能的六角铁氧体在进一步的探索、研究中。

参考文献

[1]Schmid H. 1994. Ferroelectrics 162：38-317.

[2]Jia C， Onoda S， Nagaosa N， Han JH. 2006. Phys.Rev.B74：224444.

[3]Jia C， Onoda S， Nagaosa N， Han JH. 2007. Phys.Rev.B76：144424.endprint