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单相多铁材料中的电子自旋
摘要:多铁性材料是指同时具有两种或者两种以上铁性序参量的物质。多铁性材料中出色的磁电耦合效应,使其在自旋电子器件和多态存储等方面有着广阔的应用前景。本文简单介绍多铁材料的定义与分类以及传统钙钛矿多铁材料中的电子自旋构型,重点阐述具有螺旋自旋序的磁致多铁材料。
关键词:多铁材料铁磁性螺旋序电子自旋
引言
1959年Dzyaloshinskii推断Cr2O3材料中存在磁电效应,随后不久便被Astrov用实验所证实。自此人们发现了第一个磁电耦合材料,多铁的概念开始出现,并开始了对所谓多铁材料的研究。但是迄今为止发现的单相多铁性材料仍比较稀少,这主要是由于多铁性的产生会受到诸多因素的限制。即使是现已被发现的单相多铁材料,其磁电耦合效应相较于实际应用来说也并不理想。近些年来,人们发现一些材料铁电极化直接来源于特殊磁序,即螺旋自旋序结构的多铁材料。这些材料显示出了良好的磁电耦合特性,因此得到了人们的广泛关注。
单相多铁材料的定义与分类
单相多铁材料是指同时具有两种或者两种以上铁性序参量的单相材料,即同时具有铁磁性与铁电性,或者铁磁性、铁弹性、铁电性共存。如果晶体在一定温度范围内具有自发极化强度(无外加电场存在时的极化强度),并且自发极化强度的方向可以随外加电场的变化而变化,这类晶体
我们称为铁电体,它所具有的这种性质我们称为铁电性。在铁电居里温度以上,铁电体不发生自发极化,在居里温度以上显示顺电性(类似顺磁性);在铁电居里温度以下,铁电体发生自发极化,晶格结构发生畸变,表现出铁电性。铁电有序要求空间反演对称性破缺。而铁磁性与铁电性非常类似但也有很大的不同。如果晶体在一定范围内具有自发磁化强度(无外加磁场作用情况下),并且自发磁化矢量可以随外加磁场的变化而变化,这类晶体我们称为铁磁体,同样它所具有的这种性质我们称为铁磁性。
多铁材料按照其铁电性与磁性的起源可以分成两大类,即第一类多铁性材料与第二类多铁性。第一类多铁性材料中,铁电性与铁磁性通常来源于不同的离子,典型的代表有BiFeO3、BiMnO3,由于磁性与铁电性的起源不同,所以这类材料中的磁电耦合并不强。第二类多铁性材料中,铁电性与磁性的来源一致,在这类材料多,铁电极化往往源于磁性离子特殊的磁结构导致的对称性的破缺,所以第二类多铁材料的磁电耦合效应很强,nO6. 传统钙钛矿多铁材料中的电子自旋构型
传统钙钛矿结构多铁材料属于第一类多铁材料,它的铁电性与铁磁性来自于不同金属离子。从经验角度来看,几乎所有的ABO3钙钛矿铁电氧化物中B位离子都是过渡金属离子并且它的d轨道电子都是空的(即具有d0构型的离子),如Ti4+,Ta5+,W6+等。由此人们推断铁电体必须要有具d0轨道构型的过渡金属离子。然而磁性氧化物需要具有d轨道未填满的过渡金属离子,如Cr3+,Mn3+,Fe3+等。事实上也确实是这样,对于铁电氧化物来说,
B位离子d0轨道的构型易于d轨道和O的2p轨道之间的杂化,降低体系能量,从而引起晶体晶格的畸变。而对于铁磁氧化物来说,如果d轨道电子填满状态下,电子上旋和下旋全部抵消,没
有电子产生局域磁矩,从而无法呈现宏观的铁磁性。铁磁性氧化物,需要具有d轨道未填满电子的过渡金属阳离子,也就是需要过渡金属阳离子的d轨道被电子部分填充。这样d轨道中未抵消