多铁性材料磁电性质的理论综述

2016-12-15周凯

工程技术研究 2016年11期

关键词：磁电铁电第一性

周凯

（装甲兵工程学院，北京 100072）

多铁性材料磁电性质的理论综述

周凯

（装甲兵工程学院，北京 100072）

多铁性材料由于具有铁电和铁磁性，部分具有铁弹性，是一种多功能新型材料。现代社会对于仪器小型化的要求越来越高，多铁性材料是实现这一要求的重要选择。通过其具有的磁电耦合效应实现电场和磁场的转换，可以实现新型功能器件的研制。文章探讨多铁性材料的基本性质和应用。

多铁性材料；磁电性质；第一性；对称性

现阶段对于多铁性材料的研究多集中于单相多铁材料和磁性诱导铁电体。随着研究的推进，面对新的多铁性材料所表现出的性质，常规理论已不能进行很完美的解释。由于多铁性材料在自旋电子器件和数据存储方面具有重要的应用潜力。通过理论研究确定多铁性材料的机理并深入分析所表现出的性质，对于设计和研制新型多铁性材料具有重大而现实的意义。

1 多铁性材料的定义及应用

1.1 多铁性材料的定义

1970年，Aizu根据铁电、铁磁、铁弹三种性质的相似点将其归结为一类，提出了铁性序的概念。1994年，瑞士日内瓦大学的Schimid教授首次将多铁定义为同时存在铁电、铁磁或铁弹序等两种或者两种以上铁性序的材料，后来的研究又拓展到铁性磁涡旋的体系。实际上，由于铁弹性一般伴随着铁电性出现，且铁性磁涡旋的定义及研究尚未成熟。因此，通常所指的多铁性材料是指铁电与铁磁性共存的体系。多铁性材料重要的性质是磁电祸合，即磁和电之间相互调控，最终的目的是通过电场或磁场分别实现磁化和极化的翻转，如图1所示。

图1 铁电和铁磁性共存及相互调控

1.2 多铁性材料的应用

多铁性材料的应用主要集中在自旋电子器件、传感器和数据存储等方面。铁磁性与铁电性的共存有利于实现器件小型化和多功能化，如使四态逻辑存储成为可能。磁和电之间可能存在的祸合为多铁材料带来了额外的功能。利用电场翻转磁化，或者通过磁场转换电极化，可以设计全新的功能器件。通过磁电祸合实现的电场控制磁性提供了结合铁电随机存储器（FeRAM）和磁性随机存储器（MRAM）各自优点的可能。

2 多铁性材料研究进展

多铁性材料可分为单相和复合材料两大类。同时部分学者提出可依据铁电性的来源不同和磁电耦合机制的不同，将其划分为以BiFeO3为代表的多铁性材料和以磁性诱导铁电体为代表的多铁性材料，其中前一种具有本征铁电性。通过分析现阶段多铁性材料的研究进展可以看出，主要的研究方向如图2所示。

图2 多铁性材料研究方向

2.1 符合多铁性材料

复合多铁性材料通过整合铁磁材料和铁电材料于一身，在磁致伸缩效应和压电效应的基础上，主要利用应力传递耦合作用以得到磁电耦合效应。通常所见的简单复合多铁性材料指的是一种片状铁电材料和磁致伸缩材料构成的层状结构，较为复杂的结构有颗粒形式和纳米尺度的复合柱状结构，其结构示意图如图3所示：

图3 CoFe204/BaTi03柱状复合纳米结构示意图及铁电和磁滞回线

2.2 BiFe03

2003年是对单相多铁性材料研究的一个热潮，正如前文提到的，单相多铁性材料指的是具有铁电性和铁磁性两种性质的单相化合物。其中以BiFeO3为代表，BiFeO3是目前研究发现的唯一一种在室温条件下仍然具有较强性质的单相多提恶性材料。在此之外，对于BiFeO3在电场作用下的反铁磁畴调控研究也是重大的发现，在此基础上，Chu等研制出了能够外延生长的BiFeO3薄膜，其

饱和铁电极化能够达到95μC/cm2。

2.3 磁诱导的铁电体

此类多铁性材料在相变过程中不在以铁电序参量作为主要的序参量，取而代之的是收到其他序参量的控制，主要是轨道自由度和电子的自旋等。基于现阶段的认识，磁诱导铁电体被认为是实现多铁性材料磁场控制实现电极化的最有希望的材料。由于亚铁材料普遍具有较好的宏观磁性，在其中寻找适合的多铁性材料是解决磁存储功能的最佳途径。

3 多铁性材料理论研究方法

对于多铁性材料的研究主要基于以下几种方法：第一性原理方法、对称性分析等。其中第一性原理是基于密度反函数理论得来的，具有很高的计算精度，所以应用较广泛。

3.1 第一性原理

第一性原理通过使用量子力学的相关理论，在不使用经验参量的前提下，就能够实现对于体系内所有性质的计算。其中密度泛函理论是其中最重要的理论之一。Hohenberg和Kohn最早建立密度泛函理论，可以归结为两个最基本的定理：①决定系统基态物理性质的基本物理量为粒子束密度函数；②系统基态的能量可以通过在控制粒子数恒定的前提下通过对能量泛函数的变分求的。在此之后，研究人员提出了局域密度近似（LDA）方法进行求解，其交换关联能由公式（1）表示：

但是该种方法仍然存在结合能计算过高而晶格参数估计不足等缺陷，在计算具有过渡金属和稀土元素的体系时，LDA方法精度大大下降。在寻找更为精确、适用性更强的计算理论过程中，部分学者提出了密度泛函数微扰理论（DFPT），在此技术上进行改进就是现在使用最广泛的DFT+U方法。随着计算机科学和数值计算方法的飞速发展，很多能够实现较为完整FDT理论的第一性原理软件包已经投入使用。

3.2 对称性分析

对称性是多铁性材料主要的特性之一，最要由Curie提出，在进行多铁性材料的设计中，位移性铁电体的结构要求具有极性点群的对称性，对于其他经过自由度诱导得到的铁电体，虽然不要求对称的晶体结构，但是在破坏中心反演中要求严格的磁对称性。对称性分析在BiFeO3、Ba2CoG2O7、TbMnO3等多铁性材料的设计中都有应用。