镧掺杂铅铁氧体的磁电耦合效应

武汉理工大学 李威 谭国龙

镧掺杂铅铁氧体的磁电耦合效应

武汉理工大学 李威 谭国龙

多铁性材料是指在一定温度范围内同时存在铁磁序和铁电序或铁弹序的体系。近年来，由于铁磁序和铁电序共存耦合而产生的某些新功能，如磁电效应、磁介电效应使多铁性材料蕴含着广阔的应用前景，如具有记忆功能的存储器、磁转换器和电容-电感一体化传感器。

这些巨大的潜在应用价值，使多铁性材料逐渐成为人们关注的焦点。然而，同时具有铁磁序和铁电序的多铁性化合物非常稀少，且绝大多数已发现的多铁性材料的磁电耦合特征，只有在特定的环境下才能表现出来，如低温。现有的多铁性材料，虽然能同时显示铁电序和铁磁序，但磁性太弱，难于应用到实际器件中。因此发现一种室温下能同时展现出较强的铁磁性和较大的铁电性并具备一定磁电耦合效应的单相多铁性化合物，将具有里程碑式的意义。

我们发现，六角M-型铁氧体正好具备这些功能，这为多铁性材料在新型电子器件中的应用提供了契机。我们将在此文中展示六角M-型钡铁氧体的多铁性及其磁电耦合效应。

首先，我们通过先驱聚合物法制备了La0.1Ba0.9Fe12O19粉体，然后将这种粉体压片，再在一定的温度条件下将片状体烧结成陶瓷。在室温条件下，通过对La0.1Ba0.9Fe12O19陶瓷的铁电特性研究发现，当在这种陶瓷片状物上加不同幅度的外加电场后，可以观测到La0.1Ba0.9Fe12O19清晰的电滞回线，其剩余极化强度和矫顽电场强度分别是9.6μC/cm2和0.86 KV/ m。同时，La0.1Ba0.9Fe12O19也展现出清晰的磁滞回线，其剩余磁极化强度和矫顽磁场强度分别为25.04 emu/g和892.06Oe。之前发现的BiFeO3陶瓷的剩余磁极化强度和矫顽磁场强度分别是0.1emu/g和200Oe，比La0.1Ba0.9Fe12O19小了320倍。这说明我们制备的La0.1Ba0.9Fe12O19陶瓷与BiFeO3陶瓷相比铁电性能相当，但铁磁性却有了质的进步。

由于在室温条件下铁电性和铁磁性同时共存于La0.1Ba0.9Fe12O19陶瓷中，显示了La0.1Ba0.9Fe12O19陶瓷具有多铁性特征。然而，进一步实现其磁电耦合效应，才能使该材料应用到实际的电子器件中去，这也是我们研究多铁性材料的意义所在。

然而迄今为止，在纯相的BaFe12O19和PbFe12O19化合物中并没有观察到磁电耦合效应，那么通过镧掺杂后，这种磁电耦合效应会不会出现在六角铁氧体中呢？带着这个问题，我们设置了一个磁电耦合测量装置，让一个2500Oe外加磁场作用在样品的两面，然后采用测量输出其极化电压而建立一个磁电感应函数。测量的过程是在一个ZT-IA型标准铁电测试系统上完成的，我们将样品放在这个测试系统的平台上，然后将测试设备的外部输入电压调为零，将它的磁场感应极化电压从ZT-IA测试系统中输出并且在示波器上显示出来。

图1 室温下La0.1Ba0.9Fe12O19陶瓷在H=2500Oe外磁场驱动下获得的磁电滞回线 (外部电场设为零，E=0)

通过这个测试系统，我们在样品上施加一个强度为2500Oe的磁场，很快一个磁场驱动电极化的磁电滞回线（P-M）就会出现在示波器上，将数据输出后，就可以得到图1所示的磁电耦合效应图。

我们可以看出，这是一个经典的磁电滞回线（P-M）；当输出极化电压靠近矫顽电场时，极化电压就会表现出剧烈的变化。在高场区域极化电压会接近饱和值，其值为0.28μC/cm2，剩余极化强度值为0.23μC/cm2。在固态材料中，磁场产生于电子的自旋，其主导力量是静电库伦相互作用；当一个外加磁场作用在铁酸钡镧陶瓷样品上时，磁场就会触发相对的自旋-轨道耦合，从而引发电荷和自旋之间的耦合；这种耦合会驱动电子运动，运动的电子会诱发产生一个电场；这个诱发的电场就如同一个外加电场，它会在铁酸钡镧陶瓷的内部驱动电极化，产生极化电压，经输出后就形成了一个如图1所示的标准电滞回线，即一个外加磁场取代电场驱动产生了电极化。

这表明，室温条件下，较强的磁电耦合效应存在于铁酸钡镧陶瓷中。这为磁场驱动的铁电记忆元件提供了技术基础。