武漢理工大學(xué) 李威 譚國(guó)龍

鑭摻雜鉛鐵氧體的磁電耦合效應(yīng)

武漢理工大學(xué) 李威 譚國(guó)龍

多鐵性材料是指在一定溫度范圍內(nèi)同時(shí)存在鐵磁序和鐵電序或鐵彈序的體系。近年來(lái)，由于鐵磁序和鐵電序共存耦合而產(chǎn)生的某些新功能，如磁電效應(yīng)、磁介電效應(yīng)使多鐵性材料蘊(yùn)含著廣闊的應(yīng)用前景，如具有記憶功能的存儲(chǔ)器、磁轉(zhuǎn)換器和電容-電感一體化傳感器。

這些巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，使多鐵性材料逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，同時(shí)具有鐵磁序和鐵電序的多鐵性化合物非常稀少，且絕大多數(shù)已發(fā)現(xiàn)的多鐵性材料的磁電耦合特征，只有在特定的環(huán)境下才能表現(xiàn)出來(lái)，如低溫?，F(xiàn)有的多鐵性材料，雖然能同時(shí)顯示鐵電序和鐵磁序，但磁性太弱，難于應(yīng)用到實(shí)際器件中。因此發(fā)現(xiàn)一種室溫下能同時(shí)展現(xiàn)出較強(qiáng)的鐵磁性和較大的鐵電性并具備一定磁電耦合效應(yīng)的單相多鐵性化合物，將具有里程碑式的意義。

我們發(fā)現(xiàn)，六角M-型鐵氧體正好具備這些功能，這為多鐵性材料在新型電子器件中的應(yīng)用提供了契機(jī)。我們將在此文中展示六角M-型鋇鐵氧體的多鐵性及其磁電耦合效應(yīng)。

首先，我們通過(guò)先驅(qū)聚合物法制備了La0.1Ba0.9Fe12O19粉體，然后將這種粉體壓片，再在一定的溫度條件下將片狀體燒結(jié)成陶瓷。在室溫條件下，通過(guò)對(duì)La0.1Ba0.9Fe12O19陶瓷的鐵電特性研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在這種陶瓷片狀物上加不同幅度的外加電場(chǎng)后，可以觀測(cè)到La0.1Ba0.9Fe12O19清晰的電滯回線，其剩余極化強(qiáng)度和矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度分別是9.6μC/cm2和0.86 KV/ m。同時(shí)，La0.1Ba0.9Fe12O19也展現(xiàn)出清晰的磁滯回線，其剩余磁極化強(qiáng)度和矯頑磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為25.04 emu/g和892.06Oe。之前發(fā)現(xiàn)的BiFeO3陶瓷的剩余磁極化強(qiáng)度和矯頑磁場(chǎng)強(qiáng)度分別是0.1emu/g和200Oe，比La0.1Ba0.9Fe12O19小了320倍。這說(shuō)明我們制備的La0.1Ba0.9Fe12O19陶瓷與BiFeO3陶瓷相比鐵電性能相當(dāng)，但鐵磁性卻有了質(zhì)的進(jìn)步。

由于在室溫條件下鐵電性和鐵磁性同時(shí)共存于La0.1Ba0.9Fe12O19陶瓷中，顯示了La0.1Ba0.9Fe12O19陶瓷具有多鐵性特征。然而，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其磁電耦合效應(yīng)，才能使該材料應(yīng)用到實(shí)際的電子器件中去，這也是我們研究多鐵性材料的意義所在。

然而迄今為止，在純相的BaFe12O19和PbFe12O19化合物中并沒(méi)有觀察到磁電耦合效應(yīng)，那么通過(guò)鑭摻雜后，這種磁電耦合效應(yīng)會(huì)不會(huì)出現(xiàn)在六角鐵氧體中呢？帶著這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)O(shè)置了一個(gè)磁電耦合測(cè)量裝置，讓一個(gè)2500Oe外加磁場(chǎng)作用在樣品的兩面，然后采用測(cè)量輸出其極化電壓而建立一個(gè)磁電感應(yīng)函數(shù)。測(cè)量的過(guò)程是在一個(gè)ZT-IA型標(biāo)準(zhǔn)鐵電測(cè)試系統(tǒng)上完成的，我們將樣品放在這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的平臺(tái)上，然后將測(cè)試設(shè)備的外部輸入電壓調(diào)為零，將它的磁場(chǎng)感應(yīng)極化電壓從ZT-IA測(cè)試系統(tǒng)中輸出并且在示波器上顯示出來(lái)。

圖1 室溫下La0.1Ba0.9Fe12O19陶瓷在H=2500Oe外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下獲得的磁電滯回線 (外部電場(chǎng)設(shè)為零，E=0)

通過(guò)這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，我們?cè)跇悠飞鲜┘右粋€(gè)強(qiáng)度為2500Oe的磁場(chǎng)，很快一個(gè)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電極化的磁電滯回線（P-M）就會(huì)出現(xiàn)在示波器上，將數(shù)據(jù)輸出后，就可以得到圖1所示的磁電耦合效應(yīng)圖。

我們可以看出，這是一個(gè)經(jīng)典的磁電滯回線（P-M）；當(dāng)輸出極化電壓靠近矯頑電場(chǎng)時(shí)，極化電壓就會(huì)表現(xiàn)出劇烈的變化。在高場(chǎng)區(qū)域極化電壓會(huì)接近飽和值，其值為0.28μC/cm2，剩余極化強(qiáng)度值為0.23μC/cm2。在固態(tài)材料中，磁場(chǎng)產(chǎn)生于電子的自旋，其主導(dǎo)力量是靜電庫(kù)倫相互作用；當(dāng)一個(gè)外加磁場(chǎng)作用在鐵酸鋇鑭陶瓷樣品上時(shí)，磁場(chǎng)就會(huì)觸發(fā)相對(duì)的自旋-軌道耦合，從而引發(fā)電荷和自旋之間的耦合；這種耦合會(huì)驅(qū)動(dòng)電子運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)誘發(fā)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)；這個(gè)誘發(fā)的電場(chǎng)就如同一個(gè)外加電場(chǎng)，它會(huì)在鐵酸鋇鑭陶瓷的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電極化，產(chǎn)生極化電壓，經(jīng)輸出后就形成了一個(gè)如圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)電滯回線，即一個(gè)外加磁場(chǎng)取代電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生了電極化。

這表明，室溫條件下，較強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng)存在于鐵酸鋇鑭陶瓷中。這為磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的鐵電記憶元件提供了技術(shù)基礎(chǔ)。