單相多鐵材料中的電子自旋

1、單相多鐵材料中的電子自旋簡介摘要：多鐵性材料是指同時(shí)具有兩種或者兩種以上鐵性序參量的物質(zhì)。多鐵性材料中出色的磁電耦合效應(yīng)，使其在自旋電子器件和多態(tài)存儲(chǔ)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。本文簡單介紹多鐵材料的定義與分類以及傳統(tǒng)鈣鈦礦多鐵材料中的電子自旋構(gòu)型，重點(diǎn)闡述具有螺旋自旋序的磁致多鐵材料。關(guān)鍵詞：多鐵材料鐵磁性螺旋序電子自旋引言1959年Dzyaloshinskii推斷Cr2O3材料中存在磁電效應(yīng)，隨后不久便被Astrov用實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。自此人們發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)磁電耦合材料，多鐵的概念開始出現(xiàn)，并開始了對所謂多鐵材料的研究。但是迄今為止發(fā)現(xiàn)的單相多鐵性材料仍比較稀少，這主要是由于多鐵性的產(chǎn)生會(huì)受到諸多因

2、素的限制。即使是現(xiàn)已被發(fā)現(xiàn)的單相多鐵材料，其磁電耦合效應(yīng)相較于實(shí)際應(yīng)用來說也并不理想。近些年來，人們發(fā)現(xiàn)一些材料鐵電極化直接來源于特殊磁序，即螺旋自旋序結(jié)構(gòu)的多鐵材料。這些材料顯示出了良好的磁電耦合特性，因此得到了人們的廣泛關(guān)注。單相多鐵材料的定義與分類單相多鐵材料是指同時(shí)具有兩種或者兩種以上鐵性序參量的單相材料，即同時(shí)具有鐵磁性與鐵電性，或者鐵磁性、鐵彈性、鐵電性共存。如果晶體在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化強(qiáng)度（無外加電場存在時(shí)的極化強(qiáng)度），并且自發(fā)極化強(qiáng)度的方向可以隨外加電場的變化而變化，這類晶體我們稱為鐵電體，它所具有的這種性質(zhì)我們稱為鐵電性。在鐵電居里溫度以上，鐵電體不發(fā)生自發(fā)極化，在居

3、里溫度以上顯示順電性（類似順磁性）；在鐵電居里溫度以下，鐵電體發(fā)生自發(fā)極化，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，表現(xiàn)出鐵電性。鐵電有序要求空間反演對稱性破缺。而鐵磁性與鐵電性非常類似但也有很大的不同。如果晶體在一定范圍內(nèi)具有自發(fā)磁化強(qiáng)度（無外加磁場作用情況下），并且自發(fā)磁化矢量可以隨外加磁場的變化而變化，這類晶體我們稱為鐵磁體，同樣它所具有的這種性質(zhì)我們稱為鐵磁性。多鐵材料按照其鐵電性與磁性的起源可以分成兩大類，即第一類多鐵性材料與第二類多鐵性。第一類多鐵性材料中，鐵電性與鐵磁性通常來源于不同的離子，典型的代表有BiFeO3、BiMnO3，由于磁性與鐵電性的起源不同，所以這類材料中的磁電耦合并不強(qiáng)。第二類多鐵性

4、材料中，鐵電性與磁性的來源一致，在這類材料多，鐵電極化往往源于磁性離子特殊的磁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的對稱性的破缺，所以第二類多鐵材料的磁電耦合效應(yīng)很強(qiáng)，典型的物質(zhì)喲TbMnO3和Ca3CoMnO6.336傳統(tǒng)鈣鈦礦多鐵材料中的電子自旋構(gòu)型傳統(tǒng)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)多鐵材料屬于第一類多鐵材料，它的鐵電性與鐵磁性來自于不同金屬離子。從經(jīng)驗(yàn)角度來看，幾乎所有的ABO3鈣鈦礦鐵電氧化物中B位離子都是過渡金屬離子并且它的d軌道電子都是空的（即具有d。構(gòu)型的離子），如Ti4+,Ta5+,W6+等。由此人們推斷鐵電體必須要有具d0軌道構(gòu)型的過渡金屬離子。然而磁性氧化物需要具有d軌道未填滿的過渡金屬離子，如Cr3+,Mn3+,Fe3

5、+等。事實(shí)上也確實(shí)是這樣，對于鐵電氧化物來說，B位離子do軌道的構(gòu)型易于d軌道和O的2p軌道之間的雜化，降低體系能量，從而引起晶體晶格的畸變。而對于鐵磁氧化物來說，如果d軌道電子填滿狀態(tài)下，電子上旋和下旋全部抵消，沒有電子產(chǎn)生局域磁矩，從而無法呈現(xiàn)宏觀的鐵磁性。鐵磁性氧化物，需要具有d軌道未填滿電子的過渡金屬陽離子，也就是需要過渡金屬陽離子的d軌道被電子部分填充。這樣d軌道中未抵消的相同方向的電子為鐵磁體提供了局域磁矩，從而宏觀呈現(xiàn)鐵磁性。這在某些氧化物種可以實(shí)現(xiàn)，比如BiFeO3。Fe3+離子具有3d5電子殼層結(jié)構(gòu)，和常規(guī)鈣鈦礦氧化物鐵電體中具有d0電子殼層結(jié)構(gòu)的B位陽離子不同，這些殼層中未

6、成對電子可以引起局域的磁矩產(chǎn)生。而對于B離子半徑較小的氧化物，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其低溫相的形成不同于常規(guī)鐵電體四方相的六角晶系穩(wěn)定結(jié)構(gòu)如圖，其空間群為P63cm。因此人們發(fā)現(xiàn)在BiFeO3非中心對稱的點(diǎn)群中,可以同時(shí)存在鐵磁性和鐵電性，其鐵電相變溫度為900K左右，而磁性相變溫度在100K左右。這說明傳統(tǒng)鈣鈦礦多鐵材料中B位陽離子的電子自旋構(gòu)型只提供了鐵磁性，而A位陽離子的位移導(dǎo)致晶格畸變引起了鐵電性。由于它的鐵電性與鐵磁性來源于不同的結(jié)構(gòu)單元，觀測到的磁電耦合較弱，所以很難實(shí)現(xiàn)磁性和鐵電性的互相調(diào)控。具有螺旋自旋序的磁致多鐵材料具有螺旋自旋序的磁致多鐵材料屬于第二類多鐵材料，它的鐵電性由晶體內(nèi)的特殊

7、磁序，鐵磁性來自于金屬離子，也就是說他的鐵電性與鐵磁性來自于同一結(jié)構(gòu)單元。只有像這樣，鐵電性與鐵磁性相互本征關(guān)聯(lián)，才有可能實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的磁電間的調(diào)控。所謂螺旋自旋序就如同我們生活中看到的一些爬藤植物，它以一定螺旋的形式存在，具有一個(gè)固定的方向。而電子在空間中也有類似排布，同樣也具有固定方向性。電子的這種排布方式來源于晶格中的自旋失措?！笆Т搿币辉~是用來描述體系中一個(gè)（或一些）自旋不能找到這樣一個(gè)方位，使得它（或它們）與周圍近鄰自旋間的相互作用都能同時(shí)得到滿足，如圖1?！笆Т搿蓖ǔＶ饕蓛煞N因素決定：源于晶格結(jié)構(gòu)與反鐵磁序不相容引起的幾何失措；源于自旋與近鄰自旋間存在多重競爭引起的失措?？偠灾?，兩

8、種以上相互競爭的自旋相互作用會(huì)導(dǎo)致自旋組態(tài)失措，出現(xiàn)螺旋狀自旋序?？臻g不均勻的電子自旋排布會(huì)同時(shí)破壞了空間反演對稱性和時(shí)間反演對稱性。因此這種螺旋構(gòu)型可能會(huì)產(chǎn)生鐵（a）和（b）分別為一維和二維三角晶格中自旋失措的示意圖目前有兩個(gè)解釋螺旋自旋序?qū)е码姌O化的機(jī)制，一個(gè)是2005年年Katsura，Nagaosa，Balatsky三人提出了一套基于自旋流的理論（KNB理論）用于解釋非共線的磁結(jié)構(gòu)如何導(dǎo)致電子云的偏移，而電子云相對離子實(shí)的偏移，貢獻(xiàn)了鐵電極化。另一個(gè)是2006年，Sergienko和Dagotto提出，在TbMnO3中，DzyaloshinskiiMoriya(DM)作用導(dǎo)致了非共線自

9、旋結(jié)構(gòu)，并且其反作用導(dǎo)致了鐵電極化。KNB理論是基于d軌道電子的緊束縛模型，將近鄰離子間的電子重疊作為量子微擾來處理。在KNB模型的計(jì)算中，金屬離子i和j是通過位于對稱中心的0離子連接起來的離子間沒有發(fā)生相對位移，也就是說電子云的偏移提供了鐵電性。而DM理論認(rèn)為O離子相對于金屬陽離子整體發(fā)生偏移,導(dǎo)致了鐵電性。由此可見,在具體的鐵電成分上兩者有不同的見解，分別是純電子云和離子實(shí)體。在實(shí)際材料中，兩者是同時(shí)存在的，對于不同體系來說，它們各自占的比重不同。2011年Walker等人用實(shí)驗(yàn)證明在TbMnO3中主要是離子實(shí)體的位移導(dǎo)致了鐵電性。Kimura的綜述中講了更多關(guān)于螺旋型磁序多鐵的詳細(xì)情況。本文簡要介紹了單相多鐵材料中傳統(tǒng)多鐵機(jī)制與磁致多鐵機(jī)制中的電子自旋。如今，當(dāng)人們研究材料的微觀機(jī)制時(shí)大多都要用到電子自旋或者微粒自旋的理論。特殊磁序誘導(dǎo)的鐵電性機(jī)制將是未來幾年內(nèi)多鐵性材料的研究熱點(diǎn)，與此同時(shí)，人們對電子自旋的研究就有了更大的需求。不僅是多鐵材料，隨著人們對材料微觀結(jié)構(gòu)與低溫狀態(tài)下材料新特性的不斷探索，微粒的自旋對人們來說將是非常重要的課題。參考文獻(xiàn)：1 董帥.多鐵性材料_過去_現(xiàn)在_未來.物理,20102 王克鋒,劉俊明,王雨.單相多鐵性材料極化和磁性序參量的耦合與調(diào)控.科學(xué)通報(bào),20083 董帥,向紅軍