說明：本篇文章使用賽恩科學(xué)儀器OE1022鎖相放大器測量

【概述】
2023年，中國科學(xué)院金屬研究所馬秀良研究院、朱銀蓮研究院團(tuán)隊(duì)在ACS Applied Materials & Interfaces發(fā)表了一篇題為《Achieving High-Temperature Multiferroism by Atomic Architecture》文章，報(bào)道了一種耦合了高溫磁性與電壓可切換鐵電性的單相多鐵電體材料。利用脈沖激光沉積技術(shù)制備出了具有均勻滲透開殼dn軌道的單晶薄膜，由具有B位的鐵陽離子組成，根據(jù)原子分辨化學(xué)分析其在置換鐵電性PbTiO3晶格中表現(xiàn)出長程自旋有序性。

四方極性Pb(Ti1-x, Fex)O3(PFT(x), x ≤ 0.10)族具有可切換的鐵電性質(zhì)，在室溫下于約300 Oe的中等矯頑力場下具有磁相互作用，并且磁序在 500 K 以上仍然存在，高于迄今為止已報(bào)道的潛在多鐵電體候選物質(zhì)。我們通過原子占位工程將自旋有序亞晶格與固有鐵電結(jié)合的策略，為高熱穩(wěn)定性多鐵性和自旋電子應(yīng)用提供了一條可行的途徑。

【樣品 & 測試】
文章使用鎖相放大器對材料進(jìn)行磁電效應(yīng)的表征，制備了帶有鉑頂電極的電容器結(jié)構(gòu)，以便在室溫下用自制儀器評估磁電效應(yīng)。
 

圖一在數(shù)據(jù)采集過程中，電磁鐵（SB-175，2.0T）產(chǎn)生了高達(dá) 5000 Oe 的直流偏置磁場（Hdc）。高斯計(jì)（REF-1205）輔助實(shí)時(shí)監(jiān)測 。電流源（BKT-150V65A）提供正弦交流電流，用于產(chǎn)生交變磁場（Hac = 3 Oe，f = 1-2000 Hz）。交流和直流磁場均平行于多鐵素體試樣表面。使用鎖相放大器 (OE1022) 記錄感應(yīng) ME 電壓。
 

圖2PFT(Χ) (Χ= 0.02, 0.03, 0.05)樣品的磁電（ME）耦合效應(yīng)表現(xiàn)為橫向 ME 系數(shù)（^αE31）的磁場依賴性，該系數(shù)是通過動(dòng)態(tài)鎖相技術(shù)（見實(shí)驗(yàn)部分和圖 S15）在 1 kHz 的直流磁（^Hdc）上疊加低交變磁場（^Hac）測量的。

這種方法已被廣泛用于研究多鐵性復(fù)合材料，其 ME 行為被認(rèn)為是由宏觀磁致伸縮和壓電相互作用介導(dǎo)的，并通過界面上的應(yīng)變進(jìn)行橋接。在圖 2c 中， ^αE31隨 ^Hdc 快速增加，直到 1000 Oe，然后緩慢上升，沒有達(dá)到飽和。對于PFT(0.05)，當(dāng) ^Hdc 達(dá)到 5000 Oe 時(shí)，測得 ^αE31 為245 mV cm^-1 Oe^-1。特別是在特定的 ^Hdc條件下， ^αE31的值隨著鐵濃度的增加而提高，這應(yīng)該歸因于鐵網(wǎng)絡(luò)的滲流增加以及鐵電性和磁性響應(yīng)之間的晶格耦合增強(qiáng)。

【總結(jié)】該文設(shè)計(jì)出了一系列單相多鐵氧體，通過在鈣鈦礦氧化物的 B 位中加入原子占位的dⁿ元素，可在 500 K 甚至更高的溫度下實(shí)現(xiàn)磁有序。鐵基亞晶格均勻滲入極性基體，產(chǎn)生了耦合長程自旋有序性以及雙穩(wěn)態(tài)和可切換鐵電性。更重要的是，通過進(jìn)行動(dòng)態(tài)鎖相測量，評估了室溫下明顯的磁電響應(yīng)。文章認(rèn)為，將高溫磁有序性、非揮發(fā)性鐵電性和強(qiáng) ME 耦合整合到這一PFT族中，將極大地推動(dòng)多鐵氧體實(shí)際應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】
✽ Yi Cao,Yun-Long Tang,Yin-Lian Zhu,Xiu-Liang Ma et al. Achieving High-Temperature Multiferroism by Atomic Architecture