位移型鐵電材料(如BaTiO3、PbTiO3等)因其優(yōu)異的性能在電容器、傳感器和驅(qū)動(dòng)器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，這些材料的自發(fā)電極化往往由非磁性的d0或6s2離子的位移引起，使得外磁場幾乎不能調(diào)控材料的電極化強(qiáng)度。盡管在少數(shù)位移型鐵電材料中發(fā)現(xiàn)磁性離子直接參與了電極化的形成，但是這些材料大多具有穩(wěn)定的反鐵磁結(jié)構(gòu)，外磁場很難調(diào)控磁有序結(jié)構(gòu)以及和磁有序(磁疇)關(guān)聯(lián)的鐵電極化(鐵電疇)。因此，如何在位移型鐵電材料中實(shí)現(xiàn)磁場可調(diào)的鐵電性是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的科學(xué)問題。
 

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室龍有文研究員團(tuán)隊(duì)，通過與所內(nèi)外團(tuán)隊(duì)的密切合作，利用高壓高溫實(shí)驗(yàn)手段成功制備了具有A位有序鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CaFe3Ti4O12體系，發(fā)現(xiàn)該材料中的Fe2+離子不僅產(chǎn)生位移型鐵電極化，形成了長程磁有序，且磁有序結(jié)構(gòu)很容易被外磁場改變，進(jìn)而罕見實(shí)現(xiàn)了磁場對(duì)位移型鐵電極化的調(diào)控。具體測試顯示CaFe3Ti4O12體系磁電耦合系數(shù)在2K、0.8T時(shí)可以高達(dá)500ps m-1，是目前在位移型鐵電材料中發(fā)現(xiàn)的最高值，該磁電耦合系數(shù)甚至可媲美第二類多鐵性材料(其鐵電極化由特殊自旋結(jié)構(gòu)打破空間反演對(duì)稱性所引起，因而具有很大的磁電耦合效應(yīng))。這項(xiàng)工作突破了磁場難以調(diào)控位移型鐵電材料電極化強(qiáng)度的瓶頸，為設(shè)計(jì)制備具有顯著磁電耦合效應(yīng)的鐵電材料提供了新思路。
 

　　本工作受到了北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計(jì)劃的資助。物理所楊義峰研究員、理化技術(shù)研究所姜興興研究員、清華大學(xué)于浦教授、瑞士保羅謝勒研究所Denis Sheptyakov博士、德國馬普所Z. W. Hu博士等也參與了本工作。相關(guān)成果以“Magnetic-Field Controllable Displacement-Type Ferroelectricity Driven by Off-Center Fe2+ Ions in CaFe3Ti4O12 Perovskite”為題，發(fā)表在近期的Adv. Funct. Mater. 2411133 (2024)上。
 

　　圖：CaFe3Ti4O12的晶體結(jié)構(gòu)和磁電耦合效應(yīng)。(a) CaFe3Ti4O12的室溫下的晶體結(jié)構(gòu)。(b) 隨溫度變化的晶格常數(shù)和晶胞體積。(c) 低溫下極化的晶體結(jié)構(gòu)。(d) 結(jié)構(gòu)相變時(shí)發(fā)生的離子位移。隨磁場變化的(e)電極化強(qiáng)度變化ΔP(H) = P(H) - P(0 T)和(f)磁電耦合系數(shù)α = dP / dH。 (g)不同極化方式測量的ΔP(H)。(h)周期性磁場下的ΔP(H)。