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科学普及

发展多铁性材料的新思路

稿件来源: 发布时间:2013-05-27

  多铁性是指, 一种材料具有铁磁性(或反铁磁性)、铁电性(或反铁电性——结构中毗邻分子的电偶极矩取向相反)和铁弹性(在某个临界温度以下,产生自发应变)等联合属性。鉴于这类材料在电控微波器件、磁场敏感器以及自旋电子学方面的应用前景,相关研究是近年来的热门课题。如果多铁性材料中的序参量是相互耦合的,其中的一种序参量将可能被另一种序参量的关联场所操控。例如,在磁电材料中,磁矩可以被电场操控,或者电偶极矩可以被磁场操控。近年来,关于多铁性材料的研究努力在世界范围势头强劲,涉及化学、材料理论和合成技术等诸多领域。不幸,有应用价值的成果有限。其原因在于:从电子结构看,铁磁性和铁电性是相互排斥的。具体说,铁磁性要求未配对的电子,以便实现交换耦合相互作用;但铁电性材料(多数包含过渡金属离子),则要求其中的过渡金属离子,具有空的外电子壳层。为了避免上述电子结构的失配,采用材料复合技术或许是有效的,其中的机理包括:利用应变作为耦合中介,将铁磁性和铁电性结合在一起。 

  最近,来自美国佛罗里达州立大学的Jain等撰文(J. Am. Chem. Soc. 131, 13625–13627)报告了他们在多铁性材料方面的新发现。这是一类全新的多铁性材料,与以往的无机多铁化合物不同,新材料是有机多孔结晶体,被称为金属-有机构架(metal–organic frameworks MOFs)。它的分子结构类似于ABO3钙钛矿,化学式为[(CH3)2NH2]M(HCOO)3, 其中 M = Mn, Fe, Co, Ni。有机分子的出现,导致氢键在构架的组分之间形成。正是有机结构中的氢键,引发了材料中的电有序,并在提高材料多铁性临界温度方面起到了关键作用。新材料在室温处于顺电相,当降温至160 – 180K进入反铁电相;继续降温到10K以下,化合物经历第二次相变:反铁电和弱铁磁共存。有专家指出,Jain等的工作是一个振奋人心的起点,接下来的任务是:将材料多铁性临界温度提高到室温,同时两个序参量之间的耦合强度也需进一步增强。新材料的优势在于:它们的结构容易被改进,以至于化合物的性能可以被优化。 

  (戴闻  编译自 Nature 4612009):1218-1219 

    

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