單復(fù)相多鐵性材料電場(chǎng)調(diào)控磁性能的機(jī)制、挑戰(zhàn)與突破一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代技術(shù)迅猛發(fā)展的浪潮中，電子器件的性能提升始終是推動(dòng)科技進(jìn)步的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。多鐵性材料，作為一種在凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域備受矚目的新型功能材料，憑借其獨(dú)特的磁電耦合效應(yīng)，為解決現(xiàn)代電子器件面臨的諸多挑戰(zhàn)提供了嶄新的思路與方法，從而成為眾多科研人員競(jìng)相探索的前沿?zé)狳c(diǎn)。多鐵性材料，從定義上講，是指那些同時(shí)具備兩種或兩種以上鐵性有序（如鐵電性、鐵磁性、鐵彈性等）的材料。這種特殊的材料不僅在同一體系中整合了多種物理性質(zhì)，更為關(guān)鍵的是，其內(nèi)部不同鐵性之間存在著強(qiáng)烈的耦合作用，即磁電耦合效應(yīng)。這種效應(yīng)使得材料在受到磁場(chǎng)作用時(shí)，其電極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的響應(yīng)；反之，當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，材料的磁化強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生變化。這種獨(dú)特的磁電耦合現(xiàn)象打破了傳統(tǒng)材料中磁性與電性相互獨(dú)立的局面，為實(shí)現(xiàn)新型電子器件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了全新的路徑。從歷史發(fā)展的角度來(lái)看，對(duì)多鐵性材料的研究可以追溯到上世紀(jì)中葉。當(dāng)時(shí)，科研人員開(kāi)始嘗試探索在單一材料中實(shí)現(xiàn)鐵電性和磁性的共存，盡管這一過(guò)程遭遇了重重困難，但相關(guān)的努力和嘗試從未停止。直到2003年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Ramesh課題組的Wang等人在BiFeO?薄膜中成功發(fā)現(xiàn)了室溫鐵電性和磁性的共存，這一突破性的成果猶如一顆璀璨的新星，重新點(diǎn)燃了全球科研界對(duì)單相多鐵性材料研究的熱情，使得多鐵性材料迅速成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。在當(dāng)今信息時(shí)代，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的蓬勃發(fā)展，對(duì)電子器件的性能提出了越來(lái)越嚴(yán)苛的要求。傳統(tǒng)的電子器件在面對(duì)高速運(yùn)算、海量存儲(chǔ)和低功耗運(yùn)行等需求時(shí)，逐漸顯露出其局限性。例如，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的磁性存儲(chǔ)設(shè)備如硬盤(pán)，隨著存儲(chǔ)密度的不斷提高，面臨著超順磁效應(yīng)等問(wèn)題，嚴(yán)重限制了存儲(chǔ)密度的進(jìn)一步提升；同時(shí)，在數(shù)據(jù)讀寫(xiě)過(guò)程中，需要通過(guò)線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)改變磁存儲(chǔ)單元的狀態(tài)，這一過(guò)程不僅消耗大量電能，還會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需要額外的散熱裝置來(lái)處理，這無(wú)疑增加了設(shè)備的復(fù)雜性和成本。而在邏輯運(yùn)算領(lǐng)域，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件在不斷追求小型化和高速化的過(guò)程中，也逐漸逼近其物理極限，能耗問(wèn)題日益突出，成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。多鐵性材料的出現(xiàn)，為解決上述問(wèn)題帶來(lái)了新的希望。其獨(dú)特的磁電耦合效應(yīng)使得通過(guò)電場(chǎng)來(lái)調(diào)控磁性成為可能，這一特性相較于傳統(tǒng)的磁場(chǎng)調(diào)控方式，具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。首先，電場(chǎng)調(diào)控磁性能夠顯著降低能耗。在傳統(tǒng)的磁性調(diào)控中，無(wú)論是通過(guò)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)還是直接使用外部磁場(chǎng)，都不可避免地會(huì)產(chǎn)生能量損耗。而電場(chǎng)調(diào)控磁性的過(guò)程中，不需要大量電子的定向移動(dòng)，從而有效減少了因電子碰撞晶格而產(chǎn)生的能量損失。以磁電隨機(jī)存儲(chǔ)器（MERAMs）為例，利用多鐵性材料的磁電耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)控制磁化強(qiáng)度的寫(xiě)入方式，相較于傳統(tǒng)磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAMs）使用大電流寫(xiě)入信息的方式，大大降低了寫(xiě)入能耗。其次，電場(chǎng)的響應(yīng)速度極快，可以在瞬間改變磁性狀態(tài)，這使得基于多鐵性材料的器件能夠?qū)崿F(xiàn)更高的運(yùn)行速度和更快的數(shù)據(jù)處理能力。在高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算中，快速的響應(yīng)速度是提升器件性能的關(guān)鍵因素之一，多鐵性材料的這一特性無(wú)疑為實(shí)現(xiàn)高速、高效的電子器件提供了有力支持。此外，多鐵性材料還可以與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝兼容，便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，這為下一代信息存儲(chǔ)和處理技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，多鐵性材料同樣展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。自旋電子學(xué)作為一門(mén)新興的學(xué)科，旨在利用電子的自旋自由度來(lái)存儲(chǔ)和處理信息，以突破傳統(tǒng)電子學(xué)的瓶頸。氧化物磁性半導(dǎo)體作為自旋電子學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，將半導(dǎo)體的電荷輸運(yùn)特性與磁性材料的磁學(xué)特性相結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)新型的自旋電子學(xué)器件提供了可能。而多鐵性材料的磁電耦合效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氧化物磁性半導(dǎo)體中電子自旋狀態(tài)和磁矩取向的精確調(diào)控，進(jìn)一步拓展了自旋電子學(xué)器件的功能和性能。例如，自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Spin-FET）作為自旋電子學(xué)中的核心器件之一，利用電子的自旋極化來(lái)控制電流的流動(dòng)，有望實(shí)現(xiàn)更低的能耗和更高的運(yùn)算速度。通過(guò)將多鐵性材料引入自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的設(shè)計(jì)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其磁性的電場(chǎng)調(diào)控，從而提高器件的性能和穩(wěn)定性。多鐵性材料憑借其獨(dú)特的磁電耦合效應(yīng)，在現(xiàn)代電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，為解決電子器件面臨的能耗和速度問(wèn)題提供了新的途徑。深入研究單復(fù)相多鐵性材料的電場(chǎng)調(diào)控磁性能，不僅有助于揭示材料內(nèi)部復(fù)雜的物理機(jī)制，推動(dòng)凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的基礎(chǔ)研究發(fā)展；更為重要的是，將為開(kāi)發(fā)新型高性能電子器件，如低能耗的存儲(chǔ)器、高速運(yùn)算的邏輯器件以及高靈敏度的傳感器等提供理論支持和技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀多鐵性材料的研究在國(guó)內(nèi)外均取得了豐碩的成果，尤其在電場(chǎng)調(diào)控磁性能方面，無(wú)論是單相還是復(fù)相多鐵性材料，都展現(xiàn)出獨(dú)特的物理特性和潛在的應(yīng)用價(jià)值。在單相多鐵性材料領(lǐng)域，BiFeO?是研究最為廣泛的體系之一。2003年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Ramesh課題組的Wang等人在BiFeO?薄膜中發(fā)現(xiàn)了室溫鐵電性和磁性的共存，這一成果激發(fā)了大量關(guān)于BiFeO?材料電場(chǎng)調(diào)控磁性能的研究。BiFeO?具有較高的尼爾溫度（TN≈640K）和居里溫度（TC≈1103K），理論上具備在室溫下實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)有效調(diào)控磁性的潛力?？蒲腥藛T通過(guò)多種手段對(duì)BiFeO?進(jìn)行改性研究，如在A位或B位進(jìn)行離子代換，以期望改善其磁電耦合性能。例如，通過(guò)在Bi位摻雜稀土元素（如La、Sm等），能夠在一定程度上優(yōu)化BiFeO?的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)其鐵電和鐵磁性能。在B位摻雜Ti、Mn等元素，也被報(bào)道可以改變BiFeO?的磁電耦合特性。然而，盡管進(jìn)行了大量研究，BiFeO?材料仍面臨一些挑戰(zhàn)。其本征磁電耦合效應(yīng)相對(duì)較弱，導(dǎo)致電場(chǎng)對(duì)磁性的調(diào)控效果不夠顯著。BiFeO?薄膜在制備過(guò)程中容易引入缺陷，如氧空位等，這些缺陷會(huì)影響材料的電學(xué)和磁學(xué)性能，進(jìn)而限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。除了BiFeO?，六角晶系錳氧化物RMnO?（R為部分稀土元素，如Ho,Y,Tb）也是一類(lèi)重要的單相多鐵性材料。這類(lèi)材料通過(guò)復(fù)雜晶格畸變導(dǎo)致幾何鐵電性，展現(xiàn)出獨(dú)特的磁電耦合行為。在RMnO?體系中，由于稀土離子與Mn離子之間的相互作用以及晶格結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使得材料在特定溫度和磁場(chǎng)條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)電場(chǎng)對(duì)磁性的調(diào)控。該體系的多鐵性通常出現(xiàn)在較低溫度范圍，限制了其在室溫及高溫環(huán)境下的應(yīng)用。同時(shí)，材料的制備工藝相對(duì)復(fù)雜，難以大規(guī)模制備高質(zhì)量的樣品，這也阻礙了其進(jìn)一步的研究和應(yīng)用。在復(fù)相多鐵性材料方面，研究主要集中在將鐵磁材料與鐵電材料復(fù)合，以期望通過(guò)不同相之間的耦合作用，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)。常見(jiàn)的復(fù)相多鐵性材料體系包括鐵磁/鐵電層狀復(fù)合材料、顆粒復(fù)合材料等。以鐵磁/鐵電層狀復(fù)合材料為例，日本東京大學(xué)的岡林淳團(tuán)隊(duì)研究的由鐵氧體和鈦酸鍶層層堆疊而成的界面多鐵材料，展現(xiàn)出了顯著的磁電耦合效應(yīng)。鐵氧體作為常見(jiàn)的鐵磁材料，其磁化方向可沿著三個(gè)軸中的任意一個(gè)排列（分別為A型，B型和C型）；鈦酸鍶作為常見(jiàn)的壓電材料，其電極化方向可沿著兩個(gè)軌道中的任意一個(gè)排列（分別為R型和S型）。當(dāng)兩者層層堆疊時(shí)，界面耦合使得鐵氧體的磁化方向和鈦酸鍶的電極化方向相互對(duì)齊，形成穩(wěn)定的界面多鐵態(tài)，且通過(guò)簡(jiǎn)單施加電壓就能實(shí)現(xiàn)磁化方向的控制。這種材料的磁電耦合強(qiáng)度達(dá)到0.5mV/cm，磁電系數(shù)為0.1nC/cm2，界面多鐵態(tài)的切換電壓僅為1V，展現(xiàn)出在自旋電子器件中的巨大應(yīng)用潛力。然而，復(fù)相多鐵性材料也面臨一些問(wèn)題。不同相之間的界面兼容性和穩(wěn)定性是影響材料性能的關(guān)鍵因素。在制備過(guò)程中，由于不同相的熱膨脹系數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)等存在差異，容易在界面處產(chǎn)生應(yīng)力和缺陷，這些應(yīng)力和缺陷會(huì)降低界面耦合強(qiáng)度，影響電場(chǎng)對(duì)磁性的調(diào)控效果。同時(shí)，復(fù)相材料的制備工藝相對(duì)復(fù)雜，難以精確控制各相的比例和分布，這也限制了材料性能的一致性和可重復(fù)性。國(guó)內(nèi)在多鐵性材料電場(chǎng)調(diào)控磁性能的研究方面也取得了顯著進(jìn)展。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的張俊廷團(tuán)隊(duì)通過(guò)群論分析和理論計(jì)算，在二維鈣鈦礦體系中提出了實(shí)現(xiàn)鐵電性與鐵磁性共存及電場(chǎng)控制磁性的新穎設(shè)計(jì)思路。他們首先指出在A位有序的鈣鈦礦中某些八面體扭曲模式能夠誘導(dǎo)鐵電性，然后篩選出在鈣鈦礦單層體系中可同時(shí)存在鐵電性與鐵磁性的材料，并揭示了其中的磁電耦合機(jī)制。證實(shí)了在該類(lèi)體系中磁化方向的轉(zhuǎn)變依賴(lài)于鐵電轉(zhuǎn)換的路徑，通過(guò)選擇合適的材料可實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)面內(nèi)磁化。山東大學(xué)的胡季帆教授團(tuán)隊(duì)在Pt/Co???Gd?/Pt異質(zhì)結(jié)中利用門(mén)電壓控制氫離子、氧離子遷移，實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)調(diào)控亞鐵磁補(bǔ)償溫度和磁化翻轉(zhuǎn)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)表征與理論計(jì)算，他們提出了氫、氧離子共調(diào)控稀土磁性耦合強(qiáng)度的微觀(guān)機(jī)制，成功解釋了觀(guān)察到的現(xiàn)象。氫離子由于離子半徑小、化學(xué)鍵強(qiáng)度弱，調(diào)控速度快但幅度弱；氧離子與金屬元素化學(xué)作用強(qiáng)，弛豫時(shí)間長(zhǎng)且調(diào)控效果顯著（TM調(diào)控幅度～200K）。這些研究為電場(chǎng)調(diào)控磁化翻轉(zhuǎn)提供了新的思路，有望促進(jìn)未來(lái)低能耗自旋電子器件的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外對(duì)于單復(fù)相多鐵性材料電場(chǎng)調(diào)控磁性能的研究已經(jīng)取得了眾多成果，但無(wú)論是單相還是復(fù)相材料體系，都還面臨著諸如磁電耦合效應(yīng)弱、材料制備工藝復(fù)雜、性能穩(wěn)定性和可重復(fù)性差等挑戰(zhàn)。進(jìn)一步深入研究材料的物理機(jī)制，開(kāi)發(fā)新的材料體系和制備工藝，以提高電場(chǎng)對(duì)磁性能的調(diào)控效果和材料的綜合性能，是未來(lái)該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究聚焦于單復(fù)相多鐵性材料電場(chǎng)調(diào)控磁性能，通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，深入探究其內(nèi)在物理機(jī)制，優(yōu)化材料性能，為新型電子器件的開(kāi)發(fā)提供理論和技術(shù)支撐。在研究?jī)?nèi)容上，深入剖析單復(fù)相多鐵性材料電場(chǎng)調(diào)控磁性能的原理是首要任務(wù)。從微觀(guān)層面出發(fā)，研究電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)與磁電耦合效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)。對(duì)于單相多鐵性材料，以BiFeO?為例，分析其在電場(chǎng)作用下，由于鐵電疇的翻轉(zhuǎn)如何影響磁矩的取向。通過(guò)第一性原理計(jì)算，研究BiFeO?中B位Fe離子的3d電子軌道與A位Bi離子的6s2孤對(duì)電子之間的相互作用，以及這種作用如何在電場(chǎng)下發(fā)生變化，進(jìn)而影響材料的磁性。對(duì)于復(fù)相多鐵性材料，研究鐵磁相和鐵電相之間的界面耦合機(jī)制，以及電場(chǎng)如何通過(guò)界面耦合實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性的調(diào)控。如在鐵磁/鐵電層狀復(fù)合材料中，分析電場(chǎng)作用下鐵電層產(chǎn)生的應(yīng)變?nèi)绾蝹鬟f到鐵磁層，導(dǎo)致鐵磁層的晶格畸變，從而改變其磁各向異性和磁化強(qiáng)度。材料制備方法的研究也是重點(diǎn)。針對(duì)單相多鐵性材料，采用溶膠-凝膠法制備BiFeO?薄膜。通過(guò)精確控制原料的配比、反應(yīng)溫度和時(shí)間等參數(shù)，優(yōu)化薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，減少氧空位等缺陷的產(chǎn)生，以提高其磁電耦合性能。利用脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)制備高質(zhì)量的BiFeO?薄膜，精確控制薄膜的生長(zhǎng)層數(shù)和原子排列，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控。對(duì)于復(fù)相多鐵性材料，采用磁控濺射法制備鐵磁/鐵電層狀復(fù)合材料。在制備過(guò)程中，精確控制各層的厚度和成分，通過(guò)調(diào)整濺射功率、氣壓等參數(shù)，優(yōu)化界面質(zhì)量，增強(qiáng)界面耦合強(qiáng)度。利用熱壓法制備顆粒復(fù)合材料，通過(guò)控制壓力、溫度和時(shí)間等工藝參數(shù)，使鐵磁顆粒和鐵電顆粒均勻分布，提高材料的整體性能。探索單復(fù)相多鐵性材料在自旋電子學(xué)器件中的應(yīng)用也是關(guān)鍵。研究基于多鐵性材料的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Spin-FET）的性能，分析電場(chǎng)調(diào)控磁性對(duì)器件電流開(kāi)關(guān)比、自旋注入效率等性能指標(biāo)的影響。通過(guò)優(yōu)化材料的磁電耦合性能和器件結(jié)構(gòu)，提高Spin-FET的性能和穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)低能耗、高速運(yùn)算的邏輯器件提供技術(shù)支持。研究多鐵性材料在磁電隨機(jī)存儲(chǔ)器（MERAMs）中的應(yīng)用，分析電場(chǎng)寫(xiě)入、磁場(chǎng)讀取過(guò)程中材料的磁電響應(yīng)特性，優(yōu)化存儲(chǔ)器的寫(xiě)入速度、存儲(chǔ)密度和能耗等性能。探索多鐵性材料在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，利用其磁電耦合效應(yīng)，開(kāi)發(fā)高靈敏度的磁場(chǎng)傳感器和電場(chǎng)傳感器，用于生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。在研究方法上，實(shí)驗(yàn)研究是重要手段。通過(guò)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）測(cè)量材料的磁滯回線(xiàn)，分析材料的磁化強(qiáng)度、矯頑力等磁學(xué)性能參數(shù)在電場(chǎng)作用下的變化規(guī)律。利用鐵電測(cè)試儀測(cè)量材料的電滯回線(xiàn)，研究材料的鐵電性能，如剩余極化強(qiáng)度、矯頑電場(chǎng)等，并分析電場(chǎng)對(duì)鐵電性能的影響。搭建電場(chǎng)調(diào)控磁性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）結(jié)構(gòu)、離子液體門(mén)電壓技術(shù)等，在多鐵性材料樣品上施加電場(chǎng)，通過(guò)原位磁學(xué)測(cè)量技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電場(chǎng)作用下樣品磁性的變化。結(jié)合X射線(xiàn)衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等材料表征手段，分析電場(chǎng)作用前后材料的晶體結(jié)構(gòu)、微觀(guān)形貌和界面結(jié)構(gòu)的變化，深入探究電場(chǎng)調(diào)控磁性能的微觀(guān)機(jī)制。理論計(jì)算也不可或缺。運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，基于密度泛函理論（DFT），計(jì)算多鐵性材料的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和磁電耦合系數(shù)等，從原子和電子層面揭示電場(chǎng)調(diào)控磁性能的物理機(jī)制。構(gòu)建多鐵性材料的磁電耦合模型，考慮材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格振動(dòng)、自旋-軌道耦合等因素，通過(guò)理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，研究電場(chǎng)與磁性之間的耦合關(guān)系，預(yù)測(cè)材料的磁電性能，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究多鐵性材料在電場(chǎng)作用下的原子動(dòng)力學(xué)過(guò)程，如原子的擴(kuò)散、晶格的弛豫等，分析這些過(guò)程對(duì)材料磁性能的影響。二、單復(fù)相多鐵性材料概述2.1基本概念與分類(lèi)多鐵性材料，作為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的重要研究對(duì)象，是指同時(shí)具備兩種或兩種以上鐵性有序（如鐵電性、鐵磁性、鐵彈性等）的材料。這種獨(dú)特的材料不僅在同一體系中整合了多種物理性質(zhì)，更為關(guān)鍵的是，其內(nèi)部不同鐵性之間存在著強(qiáng)烈的耦合作用，即磁電耦合效應(yīng)。這種效應(yīng)使得材料在受到磁場(chǎng)作用時(shí)，其電極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的響應(yīng)；反之，當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，材料的磁化強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生變化。根據(jù)材料的組成和結(jié)構(gòu)，多鐵性材料可分為單相多鐵性材料和復(fù)相多鐵性材料。單相多鐵性材料是指在單一化合物中同時(shí)存在兩種或多種鐵性有序的材料。這類(lèi)材料的晶體結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜，其鐵性序參量的產(chǎn)生往往與晶體結(jié)構(gòu)中的原子排列、電子云分布等密切相關(guān)。以鐵酸鉍（BiFeO?）為例，它具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，空間群為R3c。在BiFeO?中，鐵電性源于Bi離子的6s2孤對(duì)電子與O離子的2p電子之間的軌道雜化，導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生自發(fā)電極化；而其反鐵磁性則是由于Fe離子之間的超交換相互作用，使得Fe離子的磁矩呈反平行排列。盡管BiFeO?具有較高的居里溫度（TC≈1103K）和尼爾溫度（TN≈640K），理論上具備在室溫下實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)有效調(diào)控磁性的潛力，但由于其本征磁電耦合效應(yīng)相對(duì)較弱，以及薄膜制備過(guò)程中容易引入缺陷等問(wèn)題，限制了其實(shí)際應(yīng)用。另一種典型的單相多鐵性材料是六角晶系錳氧化物RMnO?（R為部分稀土元素，如Ho,Y,Tb）。這類(lèi)材料通過(guò)復(fù)雜晶格畸變導(dǎo)致幾何鐵電性，展現(xiàn)出獨(dú)特的磁電耦合行為。在RMnO?體系中，由于稀土離子與Mn離子之間的相互作用以及晶格結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使得材料在特定溫度和磁場(chǎng)條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)電場(chǎng)對(duì)磁性的調(diào)控。該體系的多鐵性通常出現(xiàn)在較低溫度范圍，限制了其在室溫及高溫環(huán)境下的應(yīng)用。同時(shí)，材料的制備工藝相對(duì)復(fù)雜，難以大規(guī)模制備高質(zhì)量的樣品，這也阻礙了其進(jìn)一步的研究和應(yīng)用。復(fù)相多鐵性材料則是通過(guò)將具有不同鐵性的單相材料進(jìn)行復(fù)合，形成人工異質(zhì)結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)多種鐵性的共存和耦合。復(fù)相多鐵性材料的界面耦合方式主要包括應(yīng)變及電荷調(diào)控機(jī)制等。在應(yīng)變調(diào)控機(jī)制中，通常將具有強(qiáng)壓電性的鐵電材料與具有強(qiáng)磁致伸縮效應(yīng)的磁性材料進(jìn)行復(fù)合，利用磁/電相的界面?zhèn)鬟f應(yīng)變，從而在室溫下實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的磁電耦合性。如在鐵磁/鐵電層狀復(fù)合材料中，鐵電層在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的應(yīng)變會(huì)通過(guò)界面?zhèn)鬟f到鐵磁層，導(dǎo)致鐵磁層的晶格畸變，進(jìn)而改變其磁各向異性和磁化強(qiáng)度。在電荷調(diào)控機(jī)制中，將鐵電材料與磁性材料復(fù)合，利用外電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)鐵電材料的極化取向，改變界面處束縛電荷的積累，通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)一步影響界面處磁性材料薄層中的載流子濃度及磁性。在這一過(guò)程中，也往往伴隨著鐵電疇彈性翻轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的應(yīng)變調(diào)控效應(yīng)。按照復(fù)合結(jié)構(gòu)的不同，復(fù)相多鐵性材料可分為0-3型（納米顆?！獕K狀基底）、1-3型（納米柱—塊狀基底）、2-2型（薄膜—薄膜）等結(jié)構(gòu)類(lèi)型。0-3型復(fù)合材料是將鐵磁或鐵電納米顆粒分散在塊狀基底中，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于顆粒與基底之間的界面面積較大，容易導(dǎo)致界面處的應(yīng)力集中和漏電流等問(wèn)題，影響材料的性能。1-3型復(fù)合材料是將納米柱陣列生長(zhǎng)在塊狀基底上，這種結(jié)構(gòu)可以在一定程度上改善界面問(wèn)題，但制備過(guò)程較為復(fù)雜，且納米柱的生長(zhǎng)取向和密度難以精確控制。2-2型薄膜異質(zhì)結(jié)則是將鐵磁薄膜和鐵電薄膜交替堆疊，這種結(jié)構(gòu)可以避免由鐵電/鐵磁序電阻失配造成的漏電流問(wèn)題，且可實(shí)現(xiàn)晶格應(yīng)變的均勻傳遞，但受限于宏觀(guān)剛性基片施加的晶格約束作用，難以通過(guò)界面應(yīng)變機(jī)制實(shí)現(xiàn)室溫強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)。2.2單相多鐵性材料特性2.2.1鐵電性與磁性共存機(jī)制在單相多鐵性材料中，鐵電性與磁性的共存機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜而關(guān)鍵的問(wèn)題，涉及到材料的晶體結(jié)構(gòu)、電子云分布以及原子間的相互作用等多個(gè)方面。以BiFeO?薄膜這一典型的單相多鐵性材料為例，其在室溫下呈現(xiàn)出鐵電性和磁性共存的獨(dú)特性質(zhì)，深入探究其內(nèi)在機(jī)制對(duì)于理解單相多鐵性材料具有重要意義。從晶體結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，BiFeO?具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，空間群為R3c。在這種結(jié)構(gòu)中，Bi3?離子位于A位，F(xiàn)e3?離子位于B位，O2?離子則構(gòu)成氧八面體。BiFeO?的鐵電性主要源于Bi離子的6s2孤對(duì)電子與O離子的2p電子之間的軌道雜化。這種雜化作用使得Bi離子周?chē)碾娮釉品植及l(fā)生畸變，產(chǎn)生了一個(gè)固有電偶極矩。由于Bi離子在晶格中的有序排列，這些電偶極矩相互疊加，從而導(dǎo)致材料產(chǎn)生自發(fā)電極化。當(dāng)BiFeO?受到外加電場(chǎng)作用時(shí)，電偶極矩會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向，使得材料的極化狀態(tài)發(fā)生改變，表現(xiàn)出鐵電特性。BiFeO?的磁性則與Fe離子的電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。Fe離子的3d電子軌道具有未成對(duì)電子，這些未成對(duì)電子的自旋相互作用形成了磁矩。在BiFeO?中，F(xiàn)e離子之間通過(guò)超交換相互作用，使得Fe離子的磁矩呈反平行排列，從而形成了反鐵磁性。由于BiFeO?存在一定的自旋-軌道耦合作用，使得其反鐵磁結(jié)構(gòu)并非完全對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致在宏觀(guān)上表現(xiàn)出一定的弱鐵磁性。晶格畸變?cè)贐iFeO?的鐵電性和磁性共存中也起著重要作用。由于Bi離子和Fe離子的半徑差異較大，以及Bi離子的6s2孤對(duì)電子的影響，使得BiFeO?的晶格發(fā)生了明顯的畸變。這種晶格畸變不僅影響了Bi離子和Fe離子之間的化學(xué)鍵長(zhǎng)度和鍵角，進(jìn)而影響了電子云的分布和電子間的相互作用，還對(duì)鐵電性和磁性的產(chǎn)生和共存產(chǎn)生了重要影響。晶格畸變?cè)鰪?qiáng)了Bi離子與O離子之間的軌道雜化，使得鐵電性得以穩(wěn)定存在。晶格畸變也改變了Fe離子之間的超交換相互作用強(qiáng)度和方向，影響了磁矩的排列和磁性的大小。此外，電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)也是BiFeO?鐵電性與磁性共存的重要因素。在BiFeO?中，電子之間存在著較強(qiáng)的相互關(guān)聯(lián)作用，這種作用使得電子的運(yùn)動(dòng)不再是獨(dú)立的，而是相互影響。電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)使得BiFeO?的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，增強(qiáng)了鐵電性和磁性之間的耦合作用。通過(guò)第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)使得BiFeO?的鐵電疇壁處的磁矩發(fā)生了明顯的變化，表明電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)在鐵電性與磁性的相互作用中起到了關(guān)鍵作用。2.2.2磁電耦合效應(yīng)及局限性單相多鐵性材料的磁電耦合效應(yīng)是其最為重要的特性之一，也是該領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容。磁電耦合效應(yīng)使得材料在受到磁場(chǎng)作用時(shí)，其電極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的響應(yīng)；反之，當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，材料的磁化強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生變化。這種獨(dú)特的性質(zhì)為實(shí)現(xiàn)新型電子器件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了全新的路徑。在單相多鐵性材料中，磁電耦合效應(yīng)主要通過(guò)以下幾種方式表現(xiàn)出來(lái)。首先是線(xiàn)性磁電耦合效應(yīng)，即材料的電極化強(qiáng)度P與磁場(chǎng)強(qiáng)度H或磁化強(qiáng)度M與電場(chǎng)強(qiáng)度E之間存在線(xiàn)性關(guān)系，可表示為P=αH或M=βE，其中α和β分別為磁電耦合系數(shù)。這種線(xiàn)性磁電耦合效應(yīng)在一些單相多鐵性材料中表現(xiàn)為在磁場(chǎng)作用下材料的介電常數(shù)發(fā)生變化，或者在電場(chǎng)作用下材料的磁導(dǎo)率發(fā)生改變。在一些鐵酸鉍基材料中，施加磁場(chǎng)可以導(dǎo)致其介電常數(shù)發(fā)生明顯的變化，這種變化與磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線(xiàn)性關(guān)系。還有非線(xiàn)性磁電耦合效應(yīng)。在某些情況下，單相多鐵性材料的磁電耦合表現(xiàn)出非線(xiàn)性特性，如電致伸縮磁電效應(yīng)和磁致伸縮電效應(yīng)。電致伸縮磁電效應(yīng)是指材料在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生應(yīng)變，而應(yīng)變又會(huì)導(dǎo)致材料的磁性發(fā)生變化；磁致伸縮電效應(yīng)則相反，是指材料在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變進(jìn)而引起材料的電極化狀態(tài)改變。在一些具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的單相多鐵性材料中，非線(xiàn)性磁電耦合效應(yīng)較為明顯，這種效應(yīng)為實(shí)現(xiàn)新型磁電器件的設(shè)計(jì)提供了更多的可能性。盡管單相多鐵性材料的磁電耦合效應(yīng)具有重要的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值，但在實(shí)際應(yīng)用中，單相多鐵性材料的磁電耦合效應(yīng)仍面臨著諸多局限性。單相多鐵性材料的磁電耦合效應(yīng)通常較弱。由于鐵電性和磁性的形成機(jī)制在原子尺度下是互相排斥的，很難在單相多鐵性材料中同時(shí)得到室溫下的高電極化強(qiáng)度和高磁化強(qiáng)度，導(dǎo)致磁電耦合系數(shù)相對(duì)較小。以BiFeO?為例，雖然它是研究最為廣泛的單相多鐵性材料之一，但其本征磁電耦合效應(yīng)相對(duì)較弱，電場(chǎng)對(duì)磁性的調(diào)控效果不夠顯著。這使得在實(shí)際應(yīng)用中，需要施加較大的電場(chǎng)或磁場(chǎng)才能實(shí)現(xiàn)有效的磁電調(diào)控，增加了器件的能耗和復(fù)雜性。單相多鐵性材料的磁電耦合效應(yīng)往往受到溫度的限制。許多單相多鐵性材料的多鐵性通常出現(xiàn)在較低溫度范圍，限制了其在室溫及高溫環(huán)境下的應(yīng)用。六角晶系錳氧化物RMnO?（R為部分稀土元素，如Ho,Y,Tb）體系的多鐵性通常在低溫下才能表現(xiàn)出來(lái)，隨著溫度升高，其多鐵性會(huì)逐漸減弱甚至消失。這嚴(yán)重制約了單相多鐵性材料在常溫環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用，限制了其在諸如室溫磁電器件、傳感器等領(lǐng)域的發(fā)展。單相多鐵性材料在制備過(guò)程中容易引入缺陷，如氧空位、雜質(zhì)等，這些缺陷會(huì)影響材料的電學(xué)和磁學(xué)性能，進(jìn)而降低磁電耦合效應(yīng)。在BiFeO?薄膜的制備過(guò)程中，由于生長(zhǎng)條件的限制，容易產(chǎn)生氧空位，氧空位的存在會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致漏電流增加，從而影響材料的鐵電性能和磁電耦合性能。材料的制備工藝相對(duì)復(fù)雜，難以大規(guī)模制備高質(zhì)量的樣品，這也阻礙了單相多鐵性材料的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。2.3復(fù)相多鐵性材料特性2.3.1復(fù)合結(jié)構(gòu)與優(yōu)勢(shì)復(fù)相多鐵性材料是通過(guò)將具有不同鐵性的單相材料進(jìn)行復(fù)合，形成人工異質(zhì)結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)多種鐵性的共存和耦合。這種獨(dú)特的復(fù)合結(jié)構(gòu)賦予了復(fù)相多鐵性材料許多單相多鐵性材料所不具備的優(yōu)勢(shì)。復(fù)相多鐵性材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)類(lèi)型豐富多樣，按照復(fù)合結(jié)構(gòu)的不同，可分為0-3型（納米顆粒—塊狀基底）、1-3型（納米柱—塊狀基底）、2-2型（薄膜—薄膜）等結(jié)構(gòu)類(lèi)型。0-3型復(fù)合材料是將鐵磁或鐵電納米顆粒分散在塊狀基底中，這種結(jié)構(gòu)的制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，且由于納米顆粒的小尺寸效應(yīng)，可能會(huì)帶來(lái)一些特殊的物理性質(zhì)。在一些0-3型鐵磁/鐵電復(fù)合材料中，納米顆粒的存在增加了材料的比表面積，使得界面效應(yīng)更加顯著，從而增強(qiáng)了磁電耦合效應(yīng)。由于顆粒與基底之間的界面面積較大，容易導(dǎo)致界面處的應(yīng)力集中和漏電流等問(wèn)題，影響材料的性能穩(wěn)定性和可靠性。1-3型復(fù)合材料是將納米柱陣列生長(zhǎng)在塊狀基底上，這種結(jié)構(gòu)可以在一定程度上改善界面問(wèn)題，提高材料的力學(xué)性能和磁電性能。納米柱的有序排列可以增強(qiáng)材料的各向異性，使得材料在特定方向上的磁電響應(yīng)更加明顯。制備過(guò)程較為復(fù)雜，需要精確控制納米柱的生長(zhǎng)取向和密度，以確保材料性能的一致性和可重復(fù)性。2-2型薄膜異質(zhì)結(jié)則是將鐵磁薄膜和鐵電薄膜交替堆疊，這種結(jié)構(gòu)可以避免由鐵電/鐵磁序電阻失配造成的漏電流問(wèn)題，且可實(shí)現(xiàn)晶格應(yīng)變的均勻傳遞。在一些鐵磁/鐵電層狀復(fù)合材料中，通過(guò)精確控制薄膜的厚度和成分，可以實(shí)現(xiàn)界面處的強(qiáng)耦合作用，從而獲得較高的磁電耦合系數(shù)。受限于宏觀(guān)剛性基片施加的晶格約束作用，難以通過(guò)界面應(yīng)變機(jī)制實(shí)現(xiàn)室溫強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)。復(fù)相多鐵性材料在增強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。由于復(fù)相多鐵性材料中不同相之間存在界面耦合作用，通過(guò)合理設(shè)計(jì)復(fù)合結(jié)構(gòu)和選擇合適的單相材料，可以有效地增強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)。在應(yīng)變調(diào)控機(jī)制中，將具有強(qiáng)壓電性的鐵電材料與具有強(qiáng)磁致伸縮效應(yīng)的磁性材料進(jìn)行復(fù)合，利用磁/電相的界面?zhèn)鬟f應(yīng)變，可在室溫下使材料具有較強(qiáng)的磁電耦合性。當(dāng)在鐵電材料上施加電場(chǎng)時(shí)，鐵電材料會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，這種應(yīng)變通過(guò)界面?zhèn)鬟f到磁性材料，導(dǎo)致磁性材料的晶格畸變，進(jìn)而改變其磁各向異性和磁化強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)磁性的有效調(diào)控。復(fù)相多鐵性材料還可以拓寬應(yīng)用溫度范圍。單相多鐵性材料的多鐵性往往受到溫度的限制，許多單相多鐵性材料的多鐵性通常出現(xiàn)在較低溫度范圍。而通過(guò)復(fù)合不同的單相材料，可以利用各單相材料在不同溫度下的穩(wěn)定鐵性，拓寬復(fù)相多鐵性材料的應(yīng)用溫度范圍。將在高溫下具有穩(wěn)定鐵電性的材料與在低溫下具有穩(wěn)定磁性的材料復(fù)合，有望獲得在較寬溫度范圍內(nèi)都具有良好多鐵性能的復(fù)相材料。復(fù)相多鐵性材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)使其在性能上具有可設(shè)計(jì)性和可調(diào)控性。通過(guò)調(diào)整各相的比例、分布和界面性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料磁電性能、電學(xué)性能、力學(xué)性能等的精確調(diào)控，以滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在傳感器應(yīng)用中，可以通過(guò)優(yōu)化復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高材料對(duì)磁場(chǎng)或電場(chǎng)的靈敏度；在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域，可以調(diào)控材料的磁電性能，實(shí)現(xiàn)低能耗、高速度的信息讀寫(xiě)。2.3.2界面效應(yīng)與協(xié)同作用在復(fù)相多鐵性材料中，界面效應(yīng)與協(xié)同作用是影響材料性能的關(guān)鍵因素，它們深刻地決定了材料中電場(chǎng)對(duì)磁性能的調(diào)控效果。以鐵磁/鐵電復(fù)合材料這一典型的復(fù)相多鐵性材料為例，研究其界面處的電磁相互作用以及界面效應(yīng)對(duì)電場(chǎng)調(diào)控磁性能的影響，對(duì)于深入理解復(fù)相多鐵性材料的特性具有重要意義。鐵磁/鐵電復(fù)合材料的界面處存在著復(fù)雜的電磁相互作用。從微觀(guān)層面來(lái)看，這種相互作用主要通過(guò)兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)：應(yīng)變傳遞和電荷調(diào)控。在應(yīng)變傳遞機(jī)制中，當(dāng)在鐵電材料上施加電場(chǎng)時(shí)，鐵電材料會(huì)發(fā)生逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生應(yīng)變。由于鐵磁材料和鐵電材料緊密結(jié)合，這種應(yīng)變會(huì)通過(guò)界面?zhèn)鬟f到鐵磁材料。鐵磁材料在受到應(yīng)變作用后，其晶格結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生畸變。這種晶格畸變進(jìn)而影響鐵磁材料中原子的磁矩排列，改變材料的磁各向異性和磁化強(qiáng)度。在一些鐵磁/鐵電層狀復(fù)合材料中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加電場(chǎng)使鐵電層產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，鐵磁層的磁化方向會(huì)發(fā)生明顯的改變，這充分證明了應(yīng)變傳遞機(jī)制在界面電磁相互作用中的重要作用。電荷調(diào)控機(jī)制也是界面電磁相互作用的重要方式。在鐵磁/鐵電復(fù)合材料的界面處，鐵電材料的極化狀態(tài)會(huì)影響界面處的電荷分布。當(dāng)外電場(chǎng)作用于鐵電材料，使其極化取向發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，界面處的束縛電荷積累也會(huì)相應(yīng)改變。這種電荷分布的變化會(huì)通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)影響界面處鐵磁材料薄層中的載流子濃度及磁性。在某些情況下，電荷的重新分布會(huì)導(dǎo)致鐵磁材料的電阻發(fā)生變化，進(jìn)而影響其磁性能。研究表明，在一些基于電荷調(diào)控機(jī)制的鐵磁/鐵電復(fù)合材料中，通過(guò)施加電場(chǎng)改變鐵電材料的極化狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁材料磁電阻的有效調(diào)控。界面效應(yīng)在電場(chǎng)調(diào)控磁性能中起著至關(guān)重要的作用。界面的質(zhì)量和特性直接影響著電磁相互作用的強(qiáng)度和效率。一個(gè)良好的界面應(yīng)該具有低的界面能和高的界面兼容性，以確保應(yīng)變和電荷能夠有效地傳遞。如果界面存在缺陷、雜質(zhì)或應(yīng)力集中等問(wèn)題，會(huì)阻礙應(yīng)變和電荷的傳遞，降低界面耦合強(qiáng)度，從而削弱電場(chǎng)對(duì)磁性能的調(diào)控效果。在制備鐵磁/鐵電復(fù)合材料時(shí)，優(yōu)化界面制備工藝，提高界面質(zhì)量，是增強(qiáng)電場(chǎng)調(diào)控磁性能的關(guān)鍵。協(xié)同作用也是復(fù)相多鐵性材料的重要特性。鐵磁相和鐵電相之間的協(xié)同作用使得材料能夠展現(xiàn)出單一相材料所不具備的優(yōu)異性能。這種協(xié)同作用不僅體現(xiàn)在磁電耦合效應(yīng)上，還體現(xiàn)在材料的其他物理性能方面。在一些鐵磁/鐵電復(fù)合材料中，鐵磁相和鐵電相的協(xié)同作用使得材料在力學(xué)性能上也得到了改善，同時(shí)具有良好的磁性和鐵電性。這種協(xié)同作用是由于不同相之間的相互制約和相互促進(jìn)，使得材料在整體上表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能。為了深入研究界面效應(yīng)與協(xié)同作用，科研人員采用了多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論計(jì)算方法。利用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）等微觀(guān)表征技術(shù)，可以直接觀(guān)察界面的原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分分布，揭示界面處的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與電磁相互作用之間的關(guān)系。通過(guò)第一性原理計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬等理論方法，可以從原子和電子層面深入研究界面處的電磁相互作用機(jī)制，預(yù)測(cè)材料的性能，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。三、電場(chǎng)調(diào)控磁性能原理3.1磁電耦合效應(yīng)基礎(chǔ)磁電耦合效應(yīng)是多鐵性材料中最為關(guān)鍵的特性之一，它是實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控磁性能的核心物理基礎(chǔ)。磁電耦合效應(yīng)，從本質(zhì)上講，是指磁場(chǎng)和電場(chǎng)之間發(fā)生相互作用，致使材料在外加磁場(chǎng)或外加電場(chǎng)下，其電子自旋或磁性發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象。這種效應(yīng)打破了傳統(tǒng)觀(guān)念中電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互獨(dú)立的認(rèn)知，為材料科學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了全新的研究方向和應(yīng)用前景。磁電耦合效應(yīng)可分為直接磁電效應(yīng)和逆磁電效應(yīng)，它們分別從不同角度展現(xiàn)了電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間的相互作用。直接磁電效應(yīng)，是指當(dāng)材料受到外加磁場(chǎng)作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，其磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)可以表示為α=P/H，其中P為電極化強(qiáng)度，H為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度。這種效應(yīng)的物理機(jī)制源于材料內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)在外加磁場(chǎng)下的變化。在一些具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的材料中，如某些鐵電體與鐵磁體復(fù)合而成的多鐵性材料，當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)與材料中的磁矩相互作用，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生微小畸變。這種晶格畸變進(jìn)而影響了材料中電子云的分布，使得材料內(nèi)部產(chǎn)生了電偶極矩，從而表現(xiàn)出電極化現(xiàn)象。在一些鐵磁/鐵電復(fù)合材料中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到，當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，材料的介電常數(shù)會(huì)發(fā)生明顯變化，這正是直接磁電效應(yīng)的一種表現(xiàn)形式。逆磁電效應(yīng)則與直接磁電效應(yīng)相反，是指材料在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁化的現(xiàn)象，其磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)可表示為α=M/E，其中M為磁化強(qiáng)度，E為電場(chǎng)強(qiáng)度。逆磁電效應(yīng)的原理主要涉及到材料內(nèi)部電子的自旋狀態(tài)和磁矩的變化。當(dāng)外加電場(chǎng)作用于材料時(shí)，電場(chǎng)會(huì)對(duì)材料中的電子產(chǎn)生作用，改變電子的能量狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡。這種電子狀態(tài)的變化會(huì)進(jìn)一步影響電子的自旋取向，從而導(dǎo)致材料的磁矩發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)磁化現(xiàn)象。在一些基于應(yīng)變調(diào)控的鐵磁/鐵電復(fù)合薄膜中，當(dāng)在鐵電層上施加電場(chǎng)時(shí)，鐵電層會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，這種應(yīng)變通過(guò)界面?zhèn)鬟f到鐵磁層，導(dǎo)致鐵磁層的晶格發(fā)生畸變，進(jìn)而改變鐵磁層的磁各向異性和磁化強(qiáng)度，這就是逆磁電效應(yīng)的典型表現(xiàn)。在多鐵性材料中，磁電耦合效應(yīng)還可以通過(guò)多種具體的物理現(xiàn)象來(lái)體現(xiàn)。磁電耦合電流效應(yīng)，即外加磁場(chǎng)可以改變材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致產(chǎn)生電流從而改變材料的電性質(zhì)。這種效應(yīng)在磁記憶存儲(chǔ)器和磁阻器等器件中有著重要應(yīng)用。在磁記憶存儲(chǔ)器中，通過(guò)外加磁場(chǎng)來(lái)改變材料的電性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)信息的寫(xiě)入和存儲(chǔ)。磁電耦合電阻效應(yīng)，是指外加磁場(chǎng)改變材料的電導(dǎo)率或電阻率，使得電阻發(fā)生變化。這種效應(yīng)可應(yīng)用于磁阻傳感器和磁電存儲(chǔ)器等器件。在磁阻傳感器中，利用材料在磁場(chǎng)下電阻的變化來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。還有磁電耦合介質(zhì)效應(yīng)，即外加電場(chǎng)可以改變材料的磁性質(zhì)，如改變磁化強(qiáng)度、磁化方向或磁耗等。這種效應(yīng)可用于磁電介質(zhì)器件和非易失性存儲(chǔ)器等應(yīng)用。在非易失性存儲(chǔ)器中，通過(guò)外加電場(chǎng)來(lái)調(diào)控材料的磁性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期存儲(chǔ)。3.2逆磁電效應(yīng)機(jī)制3.2.1應(yīng)力介導(dǎo)機(jī)制應(yīng)力介導(dǎo)機(jī)制是復(fù)相多鐵性材料中逆磁電效應(yīng)的重要機(jī)制之一，它在電場(chǎng)調(diào)控磁性能的過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以PMN-PT鐵電單晶襯底與鐵磁薄膜的復(fù)合結(jié)構(gòu)為例，深入分析鐵電層應(yīng)力傳遞至鐵磁層導(dǎo)致磁性質(zhì)改變的過(guò)程和原理，對(duì)于理解應(yīng)力介導(dǎo)機(jī)制具有重要意義。在這種復(fù)合結(jié)構(gòu)中，PMN-PT鐵電單晶具有優(yōu)異的壓電性能。當(dāng)在PMN-PT鐵電單晶襯底上施加電場(chǎng)時(shí)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，鐵電單晶會(huì)發(fā)生形變。這種形變產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)通過(guò)界面?zhèn)鬟f到與之緊密結(jié)合的鐵磁薄膜上。從微觀(guān)層面來(lái)看，逆壓電效應(yīng)的原理源于鐵電材料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)特性。在鐵電材料中，晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性較低，存在著電偶極矩。當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)會(huì)與電偶極矩相互作用，使得電偶極矩發(fā)生轉(zhuǎn)向，從而導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，產(chǎn)生應(yīng)變。在PMN-PT鐵電單晶中，其晶體結(jié)構(gòu)中的某些原子鍵在電場(chǎng)作用下發(fā)生伸縮，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)晶體產(chǎn)生宏觀(guān)的形變。當(dāng)鐵電層產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞到鐵磁層后，鐵磁層的晶格結(jié)構(gòu)會(huì)受到影響。由于應(yīng)力的作用，鐵磁層的晶格常數(shù)會(huì)發(fā)生改變，原子間的距離和鍵角也會(huì)相應(yīng)變化。這種晶格畸變會(huì)對(duì)鐵磁層的磁性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。從磁學(xué)原理角度分析，鐵磁層的磁各向異性與晶格結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。磁各向異性是指鐵磁材料在不同方向上具有不同的磁性，它主要由磁晶各向異性、形狀各向異性和應(yīng)力各向異性等因素決定。在應(yīng)力介導(dǎo)機(jī)制中，應(yīng)力引起的晶格畸變主要影響磁晶各向異性和應(yīng)力各向異性。由于晶格畸變，鐵磁層中原子的磁矩排列方向會(huì)發(fā)生改變，使得磁晶各向異性發(fā)生變化。應(yīng)力的作用還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力各向異性，進(jìn)一步改變鐵磁層的磁各向異性。這種磁各向異性的改變會(huì)直接影響鐵磁層的磁化強(qiáng)度和磁化方向。當(dāng)磁各向異性發(fā)生變化時(shí)，鐵磁層在不同方向上的磁化難易程度也會(huì)改變。在一些情況下，原本在某個(gè)方向上容易磁化的鐵磁層，在應(yīng)力作用下，可能會(huì)在另一個(gè)方向上更容易磁化，從而導(dǎo)致磁化方向發(fā)生改變。由于晶格畸變和磁各向異性的變化，鐵磁層的磁化強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)改變。在某些鐵磁/鐵電復(fù)合結(jié)構(gòu)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加電場(chǎng)使鐵電層產(chǎn)生應(yīng)力并傳遞到鐵磁層后，鐵磁層的磁化強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)明顯的增加或減小。為了更深入地研究應(yīng)力介導(dǎo)機(jī)制，科研人員采用了多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論計(jì)算方法。利用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）等微觀(guān)表征技術(shù)，可以直接觀(guān)察鐵電層與鐵磁層界面處的原子結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布情況，揭示應(yīng)力傳遞的微觀(guān)過(guò)程。通過(guò)第一性原理計(jì)算和有限元模擬等理論方法，可以從原子和電子層面深入研究應(yīng)力對(duì)鐵磁層磁性質(zhì)的影響機(jī)制，預(yù)測(cè)材料在不同應(yīng)力條件下的磁性能變化。3.2.2交換偏置效應(yīng)機(jī)制交換偏置效應(yīng)機(jī)制是多鐵性材料中實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控磁性能的另一種重要機(jī)制，它主要源于鐵磁層與反鐵磁層界面處的復(fù)雜相互作用。研究鐵磁層與反鐵磁層界面處的交換偏置效應(yīng)，分析電場(chǎng)如何通過(guò)改變界面磁矩排列實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性的調(diào)控，對(duì)于深入理解多鐵性材料的磁電耦合特性具有重要意義。在鐵磁/反鐵磁復(fù)合體系中，當(dāng)鐵磁層與反鐵磁層相互接觸并經(jīng)過(guò)一定的處理后，在低溫下會(huì)出現(xiàn)交換偏置現(xiàn)象。這種現(xiàn)象表現(xiàn)為磁滯回線(xiàn)中存在一個(gè)額外的偏移量，其根源在于鐵磁層和反鐵磁層界面處的自旋相互作用。從微觀(guān)層面來(lái)看，在鐵磁層中，原子磁矩由于交換相互作用而呈現(xiàn)平行排列，產(chǎn)生自發(fā)磁化；而在反鐵磁層中，原子磁矩則呈反平行排列，宏觀(guān)上不表現(xiàn)出磁性。在界面處，由于鐵磁層和反鐵磁層原子之間的交換耦合作用，使得鐵磁層界面處的磁矩受到反鐵磁層的影響，不能完全自由轉(zhuǎn)動(dòng)。這種界面處的自旋相互作用導(dǎo)致了鐵磁層磁滯回線(xiàn)的偏移，即交換偏置。當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)會(huì)對(duì)鐵磁/反鐵磁復(fù)合體系產(chǎn)生多方面的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性的調(diào)控。電場(chǎng)可以通過(guò)改變鐵電材料（如果體系中包含鐵電相）的極化狀態(tài)，進(jìn)而影響界面處的電荷分布和電場(chǎng)分布。這種電場(chǎng)分布的變化會(huì)與鐵磁層和反鐵磁層的自旋相互作用產(chǎn)生耦合，導(dǎo)致界面處磁矩的排列發(fā)生改變。在一些包含鐵電/鐵磁/反鐵磁結(jié)構(gòu)的多鐵性材料中，當(dāng)在鐵電層上施加電場(chǎng)時(shí)，鐵電層的極化翻轉(zhuǎn)會(huì)引起界面處電荷的重新分布，形成一個(gè)額外的電場(chǎng)。這個(gè)額外的電場(chǎng)會(huì)作用于鐵磁層和反鐵磁層界面處的磁矩，使得磁矩的排列方向發(fā)生變化，從而改變交換偏置場(chǎng)的大小和方向。電場(chǎng)還可以通過(guò)影響材料的晶格結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，間接改變鐵磁層與反鐵磁層之間的交換耦合強(qiáng)度。在一些情況下，電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致材料的晶格發(fā)生畸變，這種晶格畸變會(huì)改變?cè)娱g的距離和鍵角，進(jìn)而影響鐵磁層和反鐵磁層之間的交換相互作用。電場(chǎng)還可能改變材料的電子云分布，影響電子的自旋-軌道耦合等相互作用，從而進(jìn)一步影響交換偏置效應(yīng)。通過(guò)第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在某些材料中，電場(chǎng)作用下電子云的重新分布會(huì)導(dǎo)致鐵磁層與反鐵磁層之間的交換耦合常數(shù)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交換偏置效應(yīng)的調(diào)控。為了深入研究交換偏置效應(yīng)機(jī)制以及電場(chǎng)對(duì)其調(diào)控作用，科研人員采用了多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論方法。利用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）進(jìn)行低溫和高精度的磁滯回線(xiàn)測(cè)量，可以準(zhǔn)確獲取交換偏置場(chǎng)的大小和變化規(guī)律。通過(guò)改變電場(chǎng)強(qiáng)度和方向，觀(guān)察交換偏置場(chǎng)的響應(yīng)，從而深入了解電場(chǎng)對(duì)交換偏置效應(yīng)的調(diào)控機(jī)制。利用中子散射技術(shù)來(lái)研究界面處的自旋結(jié)構(gòu)和相互作用，通過(guò)測(cè)量中子在材料中的散射信號(hào)，可以獲得界面處原子磁矩的排列和相互作用信息，為理解交換偏置效應(yīng)提供微觀(guān)層面的證據(jù)。通過(guò)顯微鏡技術(shù)觀(guān)察材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和相變，分析電場(chǎng)作用下材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化與交換偏置效應(yīng)之間的關(guān)系。在理論研究方面，通過(guò)建立自旋模型和進(jìn)行數(shù)值模擬，從理論上分析電場(chǎng)對(duì)交換偏置效應(yīng)的影響機(jī)制，預(yù)測(cè)材料在不同電場(chǎng)條件下的磁性變化，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。3.2.3電荷調(diào)控機(jī)制電荷調(diào)控機(jī)制是多鐵性材料中電場(chǎng)調(diào)控磁性能的重要機(jī)制之一，它主要通過(guò)電場(chǎng)引起的電荷轉(zhuǎn)移和重新分布來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料磁性的影響。以特定的多鐵異質(zhì)結(jié)為例分析電荷調(diào)控的過(guò)程和效果，對(duì)于深入理解電荷調(diào)控機(jī)制在多鐵性材料中的作用具有重要意義。在多鐵異質(zhì)結(jié)中，通常由鐵電材料和磁性材料組成。當(dāng)在異質(zhì)結(jié)上施加電場(chǎng)時(shí)，鐵電材料的極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。由于鐵電材料具有自發(fā)極化特性，在電場(chǎng)作用下，其極化方向會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這種極化翻轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致鐵電材料內(nèi)部的電荷分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響異質(zhì)結(jié)界面處的電荷狀態(tài)。從微觀(guān)層面來(lái)看，鐵電材料的極化源于其晶體結(jié)構(gòu)中離子的位移。在鐵電材料中，某些離子（如BiFeO?中的Bi離子）具有孤對(duì)電子，這些孤對(duì)電子與周?chē)x子的相互作用使得離子在晶格中的位置發(fā)生偏移，形成電偶極矩。當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)會(huì)與電偶極矩相互作用，使得離子的位移發(fā)生改變，從而改變鐵電材料的極化狀態(tài)。鐵電材料極化狀態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)界面處電荷的重新分布。在界面處，鐵電材料的極化會(huì)產(chǎn)生束縛電荷，這些束縛電荷會(huì)與磁性材料中的自由電荷相互作用。當(dāng)鐵電材料的極化翻轉(zhuǎn)時(shí)，束縛電荷的分布也會(huì)發(fā)生改變，從而通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)影響磁性材料中的載流子濃度和自旋狀態(tài)。在一些鐵電/鐵磁異質(zhì)結(jié)中，當(dāng)在鐵電層上施加電場(chǎng)使極化翻轉(zhuǎn)時(shí)，界面處的束縛電荷會(huì)發(fā)生變化，這種變化會(huì)在磁性材料中感應(yīng)出電場(chǎng)，導(dǎo)致磁性材料中的電子分布發(fā)生改變。由于電子的自旋與磁性密切相關(guān)，電子分布的改變會(huì)進(jìn)一步影響磁性材料的磁性。這種電荷調(diào)控機(jī)制對(duì)材料磁性的影響主要體現(xiàn)在多個(gè)方面。電荷的重新分布會(huì)改變磁性材料的電子結(jié)構(gòu)，從而影響其磁矩的大小和方向。在一些情況下，電荷的轉(zhuǎn)移會(huì)導(dǎo)致磁性材料中部分原子的價(jià)態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而改變?cè)拥拇啪亍ｋ姾烧{(diào)控還會(huì)影響磁性材料中的自旋-軌道耦合等相互作用，進(jìn)一步改變材料的磁性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在某些鐵電/鐵磁異質(zhì)結(jié)中，施加電場(chǎng)后，磁性材料的磁化強(qiáng)度和磁各向異性會(huì)發(fā)生明顯的變化，這正是電荷調(diào)控機(jī)制作用的結(jié)果。為了深入研究電荷調(diào)控機(jī)制，科研人員采用了多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論計(jì)算方法。利用掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜（STS）等技術(shù)，可以直接觀(guān)察異質(zhì)結(jié)界面處的電荷分布和電子結(jié)構(gòu)變化，揭示電荷調(diào)控的微觀(guān)過(guò)程。通過(guò)測(cè)量磁性材料在電場(chǎng)作用下的磁學(xué)性能，如磁滯回線(xiàn)、磁化曲線(xiàn)等，分析電荷調(diào)控對(duì)磁性的影響規(guī)律。在理論研究方面，運(yùn)用第一性原理計(jì)算和密度泛函理論（DFT）等方法，從原子和電子層面深入研究電荷轉(zhuǎn)移和重新分布對(duì)材料磁性的影響機(jī)制，預(yù)測(cè)材料在不同電場(chǎng)條件下的磁性變化。四、研究案例分析4.1單相多鐵性材料研究實(shí)例4.1.1BiFeO?基材料電場(chǎng)調(diào)控研究BiFeO?作為一種典型的單相多鐵性材料，在室溫下同時(shí)具備鐵電性和反鐵磁性，由于其較高的居里溫度（TC≈1103K）和尼爾溫度（TN≈640K），理論上具備在室溫下實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)有效調(diào)控磁性的潛力，因而在多鐵性材料研究領(lǐng)域中占據(jù)著重要地位。近年來(lái)，科研人員圍繞BiFeO?基材料的電場(chǎng)調(diào)控磁性能展開(kāi)了廣泛而深入的研究，通過(guò)多種手段，如元素?fù)诫s、界面工程等，取得了一系列令人矚目的研究成果。在元素?fù)诫s方面，科研人員通過(guò)在BiFeO?的A位或B位引入不同的元素，期望通過(guò)改變材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，來(lái)增強(qiáng)其磁電耦合性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性能的有效電場(chǎng)調(diào)控。在A位摻雜稀土元素（如La、Sm等）是一種常見(jiàn)的研究方法。當(dāng)在Bi位摻雜La元素時(shí)，由于La3?離子半徑（1.36?）與Bi3?離子半徑（1.46?）較為接近，La3?能夠較為穩(wěn)定地占據(jù)Bi位。這種摻雜會(huì)對(duì)BiFeO?的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多方面的影響。從晶體結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，La的摻雜會(huì)導(dǎo)致晶格常數(shù)發(fā)生微小變化，進(jìn)而改變晶格的畸變程度。由于晶格畸變與鐵電性和磁性密切相關(guān)，這種變化會(huì)對(duì)材料的鐵電和鐵磁性能產(chǎn)生影響。在電子結(jié)構(gòu)方面，La的摻雜會(huì)改變BiFeO?中電子的分布狀態(tài)。La3?離子的電子結(jié)構(gòu)與Bi3?離子不同，其參與到材料的電子結(jié)構(gòu)中后，會(huì)影響Fe離子的3d電子軌道與O離子的2p電子軌道之間的雜化程度。這種雜化程度的改變會(huì)進(jìn)一步影響Fe離子之間的超交換相互作用，從而改變材料的磁性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，適量的La摻雜能夠在一定程度上提高BiFeO?的鐵電和鐵磁性能。當(dāng)La的摻雜量為x=0.2時(shí)，Bi???La?FeO?薄膜的剩余極化強(qiáng)度和飽和磁化強(qiáng)度相較于純BiFeO?薄膜都有明顯提升，這表明La摻雜增強(qiáng)了材料的鐵電和鐵磁性能，為實(shí)現(xiàn)更有效的電場(chǎng)調(diào)控磁性奠定了基礎(chǔ)。在B位摻雜Ti、Mn等元素也是研究的重點(diǎn)方向之一。以B位摻雜Ti元素為例，Ti??離子半徑（0.61?）與Fe3?離子半徑（0.645?）相近，能夠取代Fe位。Ti的摻雜同樣會(huì)對(duì)BiFeO?的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。在晶體結(jié)構(gòu)上，Ti的摻雜會(huì)改變Fe-O-Fe鍵角和鍵長(zhǎng)，進(jìn)而影響材料的晶格畸變。由于晶格畸變是產(chǎn)生鐵電性和磁性的重要因素之一，這種改變會(huì)對(duì)材料的多鐵性能產(chǎn)生影響。在電子結(jié)構(gòu)方面，Ti的摻雜會(huì)改變Fe離子的電子云分布和電子態(tài)。Ti??離子的電子結(jié)構(gòu)與Fe3?離子不同，其參與到材料的電子結(jié)構(gòu)中后，會(huì)影響Fe離子的3d電子軌道與O離子的2p電子軌道之間的雜化程度。這種雜化程度的改變會(huì)進(jìn)一步影響Fe離子之間的超交換相互作用，從而改變材料的磁性。研究表明，適量的Ti摻雜能夠顯著改善BiFeO?的磁電耦合特性。當(dāng)Ti的摻雜量為x=0.1時(shí)，BiFe???Ti?O?薄膜在電場(chǎng)作用下，其磁性的變化幅度明顯增大，這說(shuō)明Ti摻雜增強(qiáng)了BiFeO?的磁電耦合效應(yīng)，使得電場(chǎng)對(duì)磁性的調(diào)控效果更加顯著。在界面工程方面，科研人員通過(guò)設(shè)計(jì)和調(diào)控BiFeO?基材料的界面結(jié)構(gòu)，來(lái)增強(qiáng)界面處的磁電耦合作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性能的電場(chǎng)調(diào)控。制備BiFeO?與其他材料的異質(zhì)結(jié)是一種常見(jiàn)的界面工程手段。在BiFeO?/LaMnO?異質(zhì)結(jié)中，由于BiFeO?具有鐵電性，LaMnO?具有鐵磁性，兩者的結(jié)合形成了獨(dú)特的界面結(jié)構(gòu)。在界面處，由于晶格失配等因素，會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力。這種應(yīng)力會(huì)對(duì)界面處的原子排列和電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。由于鐵電材料的極化與電場(chǎng)的相互作用以及鐵磁材料的磁化與磁場(chǎng)的相互作用，界面處的應(yīng)力會(huì)通過(guò)磁電耦合效應(yīng)，影響B(tài)iFeO?的鐵電性能和LaMnO?的磁性能。通過(guò)施加電場(chǎng)，可以改變BiFeO?的極化狀態(tài)，進(jìn)而通過(guò)界面耦合作用，改變LaMnO?的磁性能。實(shí)驗(yàn)研究表明，在BiFeO?/LaMnO?異質(zhì)結(jié)中，當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，LaMnO?的磁化強(qiáng)度會(huì)發(fā)生明顯變化，這表明通過(guò)界面工程構(gòu)建的異質(zhì)結(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)電場(chǎng)對(duì)磁性的有效調(diào)控。在實(shí)驗(yàn)方法上，對(duì)于元素?fù)诫s的研究，通常采用溶膠-凝膠法、脈沖激光沉積（PLD）法等制備BiFeO?基材料的薄膜或粉體。以溶膠-凝膠法制備La摻雜BiFeO?薄膜為例，首先將硝酸鉍、硝酸鐵和硝酸鑭等金屬鹽按一定比例溶解在乙二醇甲醚等有機(jī)溶劑中，形成均勻的溶液。通過(guò)加入檸檬酸等絡(luò)合劑，與金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，以防止金屬離子在溶液中發(fā)生水解和沉淀。在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行攪拌和加熱，使溶液發(fā)生酯化反應(yīng)，形成具有一定粘度的溶膠。將溶膠旋涂在預(yù)先清洗好的襯底上，如Pt/Ti/SiO?/Si襯底，通過(guò)控制旋涂的速度和時(shí)間，控制薄膜的厚度。將旋涂后的樣品在一定溫度下進(jìn)行預(yù)退火處理，去除有機(jī)溶劑和絡(luò)合物，形成無(wú)定形的薄膜。將薄膜在高溫下進(jìn)行退火處理，使其結(jié)晶，形成具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Bi???La?FeO?薄膜。利用X射線(xiàn)衍射（XRD）分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，確定La的摻雜是否成功以及晶體結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀(guān)察薄膜的表面形貌和厚度。運(yùn)用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）測(cè)量薄膜的磁性能，研究La摻雜對(duì)磁性能的影響。利用鐵電測(cè)試儀測(cè)量薄膜的鐵電性能，分析La摻雜對(duì)鐵電性能的影響。對(duì)于界面工程的研究，采用脈沖激光沉積（PLD）等技術(shù)制備異質(zhì)結(jié)。以制備BiFeO?/LaMnO?異質(zhì)結(jié)為例，將BiFeO?和LaMnO?的靶材分別安裝在PLD設(shè)備的靶臺(tái)上。在高真空環(huán)境下，利用脈沖激光對(duì)靶材進(jìn)行轟擊，使靶材表面的原子或分子蒸發(fā)出來(lái)，形成等離子體羽輝。等離子體羽輝在襯底表面沉積，逐漸生長(zhǎng)形成薄膜。通過(guò)精確控制激光的能量、脈沖頻率、沉積時(shí)間以及襯底的溫度等參數(shù)，分別生長(zhǎng)BiFeO?和LaMnO?薄膜，形成BiFeO?/LaMnO?異質(zhì)結(jié)。利用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀(guān)察異質(zhì)結(jié)界面的原子結(jié)構(gòu)和晶格匹配情況。通過(guò)X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）分析界面處元素的化學(xué)狀態(tài)和電子結(jié)構(gòu)。運(yùn)用VSM測(cè)量異質(zhì)結(jié)在不同電場(chǎng)作用下的磁性能，研究界面耦合對(duì)電場(chǎng)調(diào)控磁性的影響。利用壓電響應(yīng)力顯微鏡（PFM）測(cè)量BiFeO?層的鐵電疇結(jié)構(gòu)和極化狀態(tài)，分析電場(chǎng)對(duì)鐵電性能的影響以及鐵電與磁性能之間的耦合關(guān)系。4.1.2六角晶系錳氧化物研究六角晶系錳氧化物RMnO?（R為部分稀土元素，如Ho,Y,Tb）作為一類(lèi)重要的單相多鐵性材料，展現(xiàn)出獨(dú)特的物理性質(zhì)和電場(chǎng)調(diào)控磁性能的潛力。這類(lèi)材料通過(guò)復(fù)雜晶格畸變導(dǎo)致幾何鐵電性，其內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)和電子相互作用機(jī)制決定了其多鐵性能和電場(chǎng)對(duì)磁性能的調(diào)控關(guān)系。RMnO?具有獨(dú)特的六角晶系結(jié)構(gòu)，空間群為P6?cm。在這種結(jié)構(gòu)中，MnO?八面體通過(guò)共邊連接形成了二維的層狀結(jié)構(gòu)，稀土離子R則位于層間。其復(fù)雜的晶格畸變是產(chǎn)生幾何鐵電性的關(guān)鍵因素。由于R離子與Mn離子的半徑差異以及離子間的相互作用，導(dǎo)致MnO?八面體發(fā)生扭曲和旋轉(zhuǎn)，從而破壞了晶體的中心反演對(duì)稱(chēng)性。這種晶格畸變使得材料中產(chǎn)生了電偶極矩，進(jìn)而導(dǎo)致幾何鐵電性的出現(xiàn)。在HoMnO?中，由于Ho離子的半徑較大，與Mn離子之間的相互作用使得MnO?八面體發(fā)生了明顯的畸變。通過(guò)高分辨率X射線(xiàn)衍射和中子散射等實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，MnO?八面體的扭曲和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致了晶體結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了沿c軸方向的電偶極矩，從而使HoMnO?具有幾何鐵電性。在RMnO?體系中，電場(chǎng)對(duì)磁性能的調(diào)控與幾何鐵電性密切相關(guān)。從微觀(guān)機(jī)制來(lái)看，當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)會(huì)與材料中的電偶極矩相互作用，導(dǎo)致晶格畸變發(fā)生變化。這種晶格畸變的改變會(huì)進(jìn)一步影響Mn離子之間的磁相互作用。在RMnO?中，Mn離子之間主要通過(guò)超交換相互作用形成磁有序。晶格畸變的變化會(huì)改變Mn-O-Mn鍵角和鍵長(zhǎng)，從而影響超交換相互作用的強(qiáng)度和方向。在YMnO?中，施加電場(chǎng)后，通過(guò)同步輻射X射線(xiàn)衍射和第一性原理計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)導(dǎo)致晶格畸變發(fā)生變化，使得Mn-O-Mn鍵角發(fā)生改變。這種鍵角的改變影響了Mn離子之間的超交換相互作用，導(dǎo)致磁矩的排列和磁性發(fā)生變化。溫度對(duì)RMnO?的多鐵性和電場(chǎng)調(diào)控磁性能也有著重要影響。這類(lèi)材料的多鐵性通常出現(xiàn)在較低溫度范圍。隨著溫度的升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，會(huì)破壞晶格的有序排列和磁有序。在低溫下，RMnO?中的晶格畸變和磁相互作用能夠穩(wěn)定存在，使得材料具有明顯的多鐵性和電場(chǎng)調(diào)控磁性能。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，晶格畸變減小，磁相互作用減弱，多鐵性逐漸消失，電場(chǎng)對(duì)磁性能的調(diào)控效果也會(huì)減弱。在TbMnO?中，研究發(fā)現(xiàn)其多鐵性在低溫下（如20K左右）表現(xiàn)明顯，此時(shí)電場(chǎng)能夠有效地調(diào)控其磁性。隨著溫度升高到100K以上，多鐵性逐漸減弱，電場(chǎng)對(duì)磁性的調(diào)控效果變得不明顯。為了深入研究RMnO?的電場(chǎng)調(diào)控磁性能，科研人員采用了多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論計(jì)算方法。利用極化中子散射技術(shù)來(lái)研究材料的磁結(jié)構(gòu)和磁矩排列。極化中子具有特定的自旋方向，當(dāng)它與材料中的磁矩相互作用時(shí)，會(huì)發(fā)生散射，通過(guò)分析散射中子的極化狀態(tài)和強(qiáng)度，可以獲得材料中磁矩的方向、大小和分布等信息。利用極化中子散射研究HoMnO?在電場(chǎng)作用下的磁結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)能夠改變磁矩的排列方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性的調(diào)控。通過(guò)介電常數(shù)和壓電響應(yīng)的測(cè)量來(lái)研究材料的鐵電性能和電場(chǎng)對(duì)晶格畸變的影響。介電常數(shù)反映了材料在電場(chǎng)作用下的極化能力，壓電響應(yīng)則體現(xiàn)了材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生電荷或在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生應(yīng)變的能力。測(cè)量YMnO?在不同電場(chǎng)下的介電常數(shù)和壓電響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著電場(chǎng)的變化，介電常數(shù)和壓電響應(yīng)也發(fā)生明顯變化，這表明電場(chǎng)對(duì)材料的鐵電性能和晶格畸變有顯著影響。運(yùn)用第一性原理計(jì)算和密度泛函理論（DFT）等方法從理論上分析材料的電子結(jié)構(gòu)、晶格畸變和磁相互作用。通過(guò)第一性原理計(jì)算可以得到材料中原子的位置、電子云分布以及各種相互作用的能量等信息，從而深入理解材料的多鐵性和電場(chǎng)調(diào)控磁性能的微觀(guān)機(jī)制。利用第一性原理計(jì)算研究TbMnO?中電場(chǎng)對(duì)磁相互作用的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)通過(guò)改變晶格畸變，進(jìn)而影響Mn離子之間的超交換相互作用，為實(shí)驗(yàn)研究提供了理論指導(dǎo)。4.2復(fù)相多鐵性材料研究實(shí)例4.2.1鐵磁/鐵電復(fù)合材料研究在復(fù)相多鐵性材料的研究領(lǐng)域中，鐵磁/鐵電復(fù)合材料因其獨(dú)特的復(fù)合結(jié)構(gòu)和顯著的磁電耦合效應(yīng)而備受關(guān)注。以CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合材料為例，深入探究不同制備方法對(duì)其微觀(guān)結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)調(diào)控磁性能的影響，對(duì)于推動(dòng)復(fù)相多鐵性材料的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。在制備CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合材料時(shí)，固相反應(yīng)法是一種常用的制備工藝。該方法首先將CoFe?O?和BaTiO?的原料粉末按一定比例充分混合。在混合過(guò)程中，通常采用球磨等手段，以確保兩種粉末能夠均勻混合。球磨過(guò)程中，研磨球的撞擊和摩擦作用使粉末顆粒不斷細(xì)化，并促進(jìn)它們之間的相互接觸和混合。將混合后的粉末在高溫下進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)溫度通常在1000℃-1300℃之間，這一高溫過(guò)程能夠使粉末顆粒發(fā)生固相反應(yīng)，形成CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合材料。在高溫下，CoFe?O?和BaTiO?的原子通過(guò)擴(kuò)散等機(jī)制相互滲透，形成新的化學(xué)鍵和晶體結(jié)構(gòu)。采用固相反應(yīng)法制備的CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合材料，其微觀(guān)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較為均勻的顆粒分布。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀(guān)察可以發(fā)現(xiàn)，CoFe?O?和BaTiO?顆粒相互交織，形成了一種緊密的復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于固相反應(yīng)過(guò)程中原子的擴(kuò)散和反應(yīng)相對(duì)較為充分，材料的致密度較高。這種微觀(guān)結(jié)構(gòu)使得材料在一定程度上具有較好的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。在電場(chǎng)調(diào)控磁性能方面，固相反應(yīng)法制備的CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合材料展現(xiàn)出一定的特性。當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，由于BaTiO?具有鐵電性，在電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變。這種應(yīng)變通過(guò)界面?zhèn)鬟f到CoFe?O?顆粒，導(dǎo)致CoFe?O?顆粒的晶格發(fā)生畸變。由于CoFe?O?的磁性與晶格結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，晶格畸變會(huì)引起CoFe?O?的磁各向異性發(fā)生變化，進(jìn)而影響其磁化強(qiáng)度和磁化方向。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在一定電場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合材料的磁化強(qiáng)度會(huì)發(fā)生明顯變化。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一閾值時(shí)，磁化強(qiáng)度的變化趨勢(shì)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)折，這可能與材料內(nèi)部的微觀(guān)結(jié)構(gòu)變化以及磁電耦合機(jī)制的轉(zhuǎn)變有關(guān)。溶膠-凝膠法是制備CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合材料的另一種重要方法。該方法首先分別制備CoFe?O?和BaTiO?的溶膠。對(duì)于CoFe?O?溶膠的制備，通常將鈷鹽和鐵鹽溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，如乙二醇甲醚等，并加入檸檬酸等絡(luò)合劑，與金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行攪拌和加熱，使溶液發(fā)生酯化反應(yīng)，形成具有一定粘度的CoFe?O?溶膠。BaTiO?溶膠的制備過(guò)程類(lèi)似，將鋇鹽和鈦鹽溶解在溶劑中，加入絡(luò)合劑，通過(guò)酯化反應(yīng)形成BaTiO?溶膠。將兩種溶膠按一定比例混合均勻。在混合過(guò)程中，溶膠中的分子和離子能夠充分接觸和相互作用。將混合后的溶膠進(jìn)行凝膠化處理，通常通過(guò)加熱或加入凝膠劑等方式實(shí)現(xiàn)。凝膠化過(guò)程使溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，CoFe?O?和BaTiO?的前驅(qū)體均勻分布。將凝膠進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，去除有機(jī)成分，使前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為CoFe?O?和BaTiO?晶體，形成CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合材料。采用溶膠-凝膠法制備的CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合材料，其微觀(guān)結(jié)構(gòu)具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)。通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM）觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，材料中CoFe?O?和BaTiO?的晶粒尺寸相對(duì)較小，且分布較為均勻。由于溶膠-凝膠法在制備過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)分子級(jí)別的混合，使得兩種材料在微觀(guān)層面上的結(jié)合更為緊密。這種微觀(guān)結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)。較小的晶粒尺寸增加了材料的比表面積，使得界面效應(yīng)更加顯著。在界面處，CoFe?O?和BaTiO?之間的相互作用更強(qiáng)，有利于應(yīng)變和電荷的傳遞，從而增強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)磁性能的調(diào)控效果。在電場(chǎng)調(diào)控磁性能方面，溶膠-凝膠法制備的CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合材料表現(xiàn)出較高的磁電耦合系數(shù)。實(shí)驗(yàn)研究表明，在相同電場(chǎng)強(qiáng)度下，相較于固相反應(yīng)法制備的材料，溶膠-凝膠法制備的CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合材料的磁化強(qiáng)度變化更為明顯。這是由于其微觀(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，使得電場(chǎng)作用下的應(yīng)變傳遞和電荷調(diào)控更加有效。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，溶膠-凝膠法制備的材料的磁化強(qiáng)度變化幅度比固相反應(yīng)法制備的材料高出約30%，這充分展示了溶膠-凝膠法在制備高性能鐵磁/鐵電復(fù)合材料方面的優(yōu)勢(shì)。磁控濺射法也可用于制備CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合材料，特別是在制備薄膜材料時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在磁控濺射過(guò)程中，將CoFe?O?和BaTiO?的靶材分別安裝在濺射設(shè)備的靶臺(tái)上。在高真空環(huán)境下，利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)的作用，使氬氣等惰性氣體離子化。這些離子在電場(chǎng)的加速下轟擊靶材表面，使靶材表面的原子或分子濺射出來(lái)，形成等離子體羽輝。等離子體羽輝在襯底表面沉積，逐漸生長(zhǎng)形成CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合薄膜。通過(guò)精確控制濺射功率、濺射時(shí)間、氣體流量等參數(shù)，可以精確控制薄膜的厚度、成分和微觀(guān)結(jié)構(gòu)。采用磁控濺射法制備的CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合薄膜，其微觀(guān)結(jié)構(gòu)具有高度的可控性。通過(guò)調(diào)節(jié)濺射參數(shù)，可以制備出不同厚度和成分比例的薄膜。薄膜的表面平整度高，結(jié)晶質(zhì)量好。利用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，薄膜中CoFe?O?和BaTiO?的界面清晰，且界面處的晶格匹配度較高。這種微觀(guān)結(jié)構(gòu)使得薄膜在電場(chǎng)調(diào)控磁性能方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。由于界面質(zhì)量高，應(yīng)變和電荷在界面處的傳遞效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)磁性的高效調(diào)控。在一些應(yīng)用中，磁控濺射法制備的CoFe?O?/BaTiO?復(fù)合薄膜在低電場(chǎng)強(qiáng)度下就能實(shí)現(xiàn)明顯的磁性變化，展現(xiàn)出在高速、低能耗磁電器件中的應(yīng)用潛力。4.2.2多鐵異質(zhì)結(jié)研究多鐵異質(zhì)結(jié)作為復(fù)相多鐵性材料的重要研究對(duì)象，由于其同時(shí)具備鐵電性和磁性，能夠通過(guò)磁電耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)磁性的有效調(diào)制，在信息存儲(chǔ)、自旋電子學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。其中，電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的非易失性磁性變化及信息存儲(chǔ)應(yīng)用是多鐵異質(zhì)結(jié)研究的關(guān)鍵方向之一，尤其是基于鐵電極化翻轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的界面電荷效應(yīng)的研究，為實(shí)現(xiàn)新型非易失性存儲(chǔ)技術(shù)提供了新的思路。在多鐵異質(zhì)結(jié)中，基于鐵電極化翻轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的界面電荷效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)非易失性磁性變化的重要機(jī)制。以特定的多鐵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)在鐵電層上施加電場(chǎng)時(shí)，鐵電層的極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。由于鐵電材料具有自發(fā)極化特性，其極化方向的改變會(huì)導(dǎo)致界面處電荷分布的變化。從微觀(guān)層面來(lái)看，鐵電材料的極化源于其晶體結(jié)構(gòu)中離子的位移。在鐵電材料中，某些離子（如BiFeO?中的Bi離子）具有孤對(duì)電子，這些孤對(duì)電子與周?chē)x子的相互作用使得離子在晶格中的位置發(fā)生偏移，形成電偶極矩。當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)會(huì)與電偶極矩相互作用，使得離子的位移發(fā)生改變，從而改變鐵電材料的極化狀態(tài)。鐵電層極化狀態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致界面處電荷的重新分布。在界面處，鐵電材料的極化會(huì)產(chǎn)生束縛電荷，這些束縛電荷會(huì)與磁性材料中的自由電荷相互作用。當(dāng)鐵電材料的極化翻轉(zhuǎn)時(shí)，束縛電荷的分布也會(huì)發(fā)生改變，從而通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)影響磁性材料中的載流子濃度和自旋狀態(tài)。在一些鐵電/鐵磁異質(zhì)結(jié)中，當(dāng)在鐵電層上施加電場(chǎng)使極化翻轉(zhuǎn)時(shí)，界面處的束縛電荷會(huì)發(fā)生變化，這種變化會(huì)在磁性材料中感應(yīng)出電場(chǎng)，導(dǎo)致磁性材料中的電子分布發(fā)生改變。由于電子的自旋與磁性密切相關(guān)，電子分布的改變會(huì)進(jìn)一步影響磁性材料的磁性。這種基于鐵電極化翻轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的界面電荷效應(yīng)在信息存儲(chǔ)應(yīng)用中具有重要意義。在多鐵異質(zhì)結(jié)存儲(chǔ)器件中，通過(guò)施加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)鐵電層的極化翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變磁性材料的磁性狀態(tài)，可用于表示不同的存儲(chǔ)信息。由于鐵電層的極化狀態(tài)在電場(chǎng)移除后能夠保持穩(wěn)定，使得磁性材料的磁性狀態(tài)也具有非易失性，從而實(shí)現(xiàn)了非易失性信息存儲(chǔ)。與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)相比，這種基于多鐵異質(zhì)結(jié)的存儲(chǔ)方式具有低能耗、高速讀寫(xiě)等優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)的磁性存儲(chǔ)設(shè)備中，寫(xiě)入信息通常需要通過(guò)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)改變磁存儲(chǔ)單元的狀態(tài)，這一過(guò)程消耗大量電能。而在多鐵異質(zhì)結(jié)存儲(chǔ)器件中，通過(guò)電場(chǎng)來(lái)改變磁性狀態(tài)，大大降低了能耗。電場(chǎng)的響應(yīng)速度極快，可以實(shí)現(xiàn)高速讀寫(xiě)，提高了存儲(chǔ)設(shè)備的性能。為了深入研究基于鐵電極化翻轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的界面電荷效應(yīng)，科研人員采用了多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論計(jì)算方法。利用掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜（STS）等技術(shù)，可以直接觀(guān)察異質(zhì)結(jié)界面處的電荷分布和電子結(jié)構(gòu)變化，揭示電荷調(diào)控的微觀(guān)過(guò)程。通過(guò)測(cè)量磁性材料在電場(chǎng)作用下的磁學(xué)性能，如磁滯回線(xiàn)、磁化曲線(xiàn)等，分析電荷調(diào)控對(duì)磁性的影響規(guī)律。在理論研究方面，運(yùn)用第一性原理計(jì)算和密度泛函理論（DFT）等方法，從原子和電子層面深入研究電荷轉(zhuǎn)移和重新分布對(duì)材料磁性的影響機(jī)制，預(yù)測(cè)材料在不同電場(chǎng)條件下的磁性變化。五、材料制備與實(shí)驗(yàn)方法5.1制備方法5.1.1單相多鐵性材料制備在單相多鐵性材料的制備領(lǐng)域，溶膠-凝膠法憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為一種應(yīng)用廣泛且備受關(guān)注的制備技術(shù)。以BiFeO?薄膜的制備為例，該方法展現(xiàn)出諸多顯著特點(diǎn)。在原料準(zhǔn)備階段，將硝酸鉍[Bi(NO?)??5H?O]、硝酸鐵[Fe(NO?)??9H?O]等金屬鹽按照化學(xué)計(jì)量比精確稱(chēng)量，隨后溶解于乙二醇甲醚等有機(jī)溶劑中。為了確保金屬離子在溶液中均勻分散并穩(wěn)定存在，通常會(huì)加入檸檬酸作為絡(luò)合劑。檸檬酸分子中的羧基和羥基能夠與金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，有效防止金屬離子在溶液中發(fā)生水解和沉淀，從而保證了溶膠的均勻性和穩(wěn)定性。在反應(yīng)過(guò)程中，將上述混合溶液在適當(dāng)溫度下進(jìn)行攪拌和加熱。隨著溫度的升高和攪拌的持續(xù)進(jìn)行，溶液中逐漸發(fā)生酯化反應(yīng)。在酯化反應(yīng)中，乙二醇甲醚中的醇基與檸檬酸中的羧基發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，形成酯鍵，同時(shí)釋放出水分子。這一反應(yīng)過(guò)程使得溶液的粘度逐漸增加，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢鲃?dòng)性和粘性的溶膠。在溶膠形成后，通過(guò)旋涂工藝將其均勻地涂覆在預(yù)先清洗干凈的襯底上。旋涂過(guò)程中，通過(guò)精確控制旋涂機(jī)的轉(zhuǎn)速和時(shí)間，可以精準(zhǔn)地調(diào)控薄膜的厚度。較高的旋涂轉(zhuǎn)速會(huì)使溶膠在離心力作用下迅速向邊緣擴(kuò)散，從而形成較薄的薄膜；而較低的轉(zhuǎn)速則會(huì)使溶膠在襯底上停留時(shí)間較長(zhǎng)，形成相對(duì)較厚的薄膜。通過(guò)多次旋涂和適當(dāng)?shù)母稍锾幚?，可以進(jìn)一步增加薄膜的厚度，滿(mǎn)足不同實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的需求。將旋涂后的樣品進(jìn)行退火處理是制備過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。首先，在較低溫度下進(jìn)行預(yù)退火處理，這一步驟主要目的是去除溶膠中殘留的有機(jī)溶劑和絡(luò)合劑。隨著溫度的升高，有機(jī)溶劑和絡(luò)合劑逐漸揮發(fā)和分解，從而使薄膜中的有機(jī)成分得以去除，形成較為純凈的無(wú)定形薄膜。將無(wú)定形薄膜在高溫下進(jìn)行退火處理，使其結(jié)晶，形成具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BiFeO?薄膜。高溫退火過(guò)程中，原子獲得足夠的能量，開(kāi)始進(jìn)行有序排列，逐漸形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。退火溫度和時(shí)間對(duì)薄膜的結(jié)晶質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。適當(dāng)提高退火溫度可以促進(jìn)原子的擴(kuò)散和結(jié)晶過(guò)程，使薄膜的結(jié)晶度提高，晶體結(jié)構(gòu)更加完善。過(guò)高的退火溫度可能導(dǎo)致薄膜表面出現(xiàn)裂紋、晶粒長(zhǎng)大不均勻等問(wèn)題，影響薄膜的性能。因此，需要精確控制退火溫度和時(shí)間，以獲得高質(zhì)量的BiFeO?薄膜。溶膠-凝膠法制備BiFeO?薄膜具有顯著的優(yōu)勢(shì)。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)材料化學(xué)組成的精確控制，通過(guò)精確稱(chēng)量金屬鹽的用量，可以準(zhǔn)確地控制BiFeO?薄膜中各元素的比例，從而保證薄膜的化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確無(wú)誤。這種精確的化學(xué)組成控制對(duì)于研究BiFeO?薄膜的性能與成分之間的關(guān)系至關(guān)重要，能夠?yàn)樯钊胩骄科湮锢頇C(jī)制提供可靠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。溶膠-凝膠法制備的薄膜具有較好的均勻性。在溶膠制備過(guò)程中，通過(guò)充分?jǐn)嚢韬徒j(luò)合劑的作用，金屬離子在溶液中均勻分散，使得在旋涂和退火后形成的薄膜在成分和結(jié)構(gòu)上都具有良好的均勻性。這種均勻性有助于提高薄膜性能的一致性和穩(wěn)定性，減少因成分或結(jié)構(gòu)不均勻?qū)е碌男阅懿町?。該方法還具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。相較于一些復(fù)雜的物理制備方法，如分子束外延、脈沖激光沉積等，溶膠-凝膠法所需的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，操作也較為便捷，這使得其在科研和工業(yè)生產(chǎn)中都具有較高的可行性和應(yīng)用價(jià)值。溶膠-凝膠法制備BiFeO?薄膜也存在一些局限性。該方法制備過(guò)程較為繁瑣，涉及多個(gè)步驟，包括原料準(zhǔn)備、溶膠制備、旋涂、預(yù)退火和高溫退火等，每個(gè)步驟都需要精確控制條件，這增加了制備過(guò)程的復(fù)雜性和時(shí)間成本。由于溶膠-凝膠法制備的薄膜在退火過(guò)程中可能會(huì)引入一些缺陷，如氧空位等。這些缺陷的存在會(huì)對(duì)薄膜的電學(xué)和磁學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，例如氧空位的存在可能會(huì)導(dǎo)致薄膜的電導(dǎo)率增加，鐵電性能和磁電耦合性能下降。在高溫退火過(guò)程中，薄膜與襯底之間可能會(huì)發(fā)生相互擴(kuò)散，導(dǎo)致界面處的成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響薄膜與襯底之間的結(jié)合強(qiáng)度和界面性能。分子束外延（MBE）作為一種先進(jìn)的薄膜制備技術(shù)，在單相多鐵性材料的制備中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和高精度的制備能力。以制備高質(zhì)量的BiFeO?薄膜為例，分子束外延技術(shù)的原理基于在超高真空環(huán)境下，將原材料加熱至高溫，使其蒸發(fā)形成分子束。這些分子束在真空中沿直線(xiàn)傳播，并精確地射向加熱的襯底表面。在襯底表面，分子與襯底原子發(fā)生相互作用，逐漸沉積并生長(zhǎng)形成薄膜。通過(guò)精確控制分子束的強(qiáng)度、溫度、入射角度以及襯底的溫度、晶格取向等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的原子級(jí)精確控制。在設(shè)備組成方面，分子束外延系統(tǒng)通常包括分子束源爐、超高真空腔室、襯底加熱和冷卻裝置、監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部分。分子束源爐用于加熱原材料，使其蒸發(fā)形成分子束。通過(guò)精確控制源爐的溫度，可以調(diào)節(jié)分子束的強(qiáng)度和蒸發(fā)速率。超高真空腔室提供了一個(gè)幾乎沒(méi)有雜質(zhì)和氣體分子的環(huán)境，確保分子束在傳播過(guò)程中不會(huì)受到干擾，從而保證薄膜的高純度生長(zhǎng)。襯底加熱和冷卻裝置用于精確控制襯底的溫度，不同的材料生長(zhǎng)需要不同的襯底溫度條件，通過(guò)調(diào)節(jié)襯底溫度，可以?xún)?yōu)化薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量和晶體結(jié)構(gòu)。監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控整個(gè)制備過(guò)程中的各種參數(shù)，確保制備過(guò)程的穩(wěn)定性和重復(fù)性。在制備B