多铁性：物理、材料及器件专题
编者按：
作为凝聚态物理与材料物理的前沿分支之一，多铁性研究脱胎于磁电耦合的研究. 固体中磁电耦合的概念最初由居里先生提出，至今已有一百多年. 在漫长的历史长河中，磁电耦合领域的研究曾经在冷战时期短暂热闹过一阵，但随后是漫长的冷寂期. 日内瓦大学的老先生Hans Schmid在磁电耦合领域坐了半辈子冷板凳，在1994年提出了多铁体（multiferroics）这个概念. 九年之后，该领域研究才真正引起广泛关注. 2003年以BiFeO3薄膜的大铁电极化和TbMnO3单晶的磁控电这两大突破作为里程碑，该领域快速蹿红，吸引了大量研究者的瞩目. 在接下来的几年中，研究者在该领域迅速取得了若干重要突破性成果. 2007年底美国《科学》杂志遴选了七个下一年度重点关注领域（Areas to Watch），多铁体荣幸入选，并且这是凝聚态物理/材料物理方向唯一入围者.
但出乎意料，2008年铁基超导的异军突起与拓扑绝缘体的系列突破迅速抢占了凝聚态物理/材料物理大舞台的主角位置，掩盖了多铁体的光彩. 因此最近十年来多铁领域的研究变得相对平淡. 但即使在这样的平淡岁月中，仍然有一群研究者一直在这个领域坚持耕耘，默默地将该领域一步步向前推进. 实际上，这个领域在过去十年的发展并不孤独，而是逐渐和物理的各分支（包括理论物理、凝聚态物理、材料物理、光物理、器件物理等）交叉融合. 因此当前的多铁领域研究已经涵盖了从基础物理理论，到具体材料体系，再到器件应用等多个方面.
受《物理学报》责任编缉古丽亚的委托，我邀请了国内若干活跃在该领域前沿的中青年专家撰稿，合成这样一期以短篇综述为主的专辑，较为全面和深入地介绍该领域已取得的部分成果以及最新进展. 从研究内容上，可大致分为两类：一是，探索多铁性材料和揭示其物理规律；二是，探索多铁性异质结、器件和应用. 第一类研究的综述包括（以下排名按投稿先后）：1） Ruddlesden-Popper结构杂化铁电体（浙江大学刘小强、陈湘明等）；2）低维铁电材料（南京理工大学阚二军等）；3）激发态电荷输运有机多铁体（南京理工大学袁国亮等）；4）异常双钙钛矿多铁氧化物（中山大学李满荣等）；5）四倍体钙钛矿多铁氧化物（中国科学院物理研究所龙有文等）；6）非常规铁电钙钛矿氧化物（上海大学任伟等）；7）铋层状多铁氧化物单晶薄膜（中国科学技术大学翟晓芳、陆亚林等）. 第二类研究的综述包括：1）多铁性磁电异质结及器件（清华大学赵永刚等；西安交通大学胡忠强、刘明等；南京理工大学汪尧进等）；2）压电单晶磁电复合薄膜（中国科学院上海硅酸盐研究所郑仁奎等）；3）铁电光伏效应（苏州大学蔡田怡、雎胜）；4）钙钛矿薄膜的多铁性与氧空位调控（南京航空航天大学杨浩等）；5）微纳尺度电场驱动磁翻转（华南师范大学高兴森等）. 除了短篇综述外，还有三篇研究论文，在此就不细述. 希望这个专题能够为国内多铁性及相关领域研究的学术交流做一些贡献.
2018, 67 (15): 154203.
doi: 10.7498/aps.67.20180954
摘要 +
为了寻求新的非常规多铁性材料，采用固相合成方法制备具有Ruddlesden-Popper结构的（1-x）Sr3Sn2O7+xCa3Mn2O7（SSO+CMO）（x=0，0.05，0.10，0.15，0.20）系列陶瓷.通过X射线衍射、紫外可见光谱和磁性测量，发现SSO+CMO陶瓷为单一正交相结构，空间群为A2-1am.随着掺杂量x的增加，样品的晶胞参数和体积相应地减小；在室温不同频率下，样品的介电常数和介电损耗随着频率增加而减小，且在x=0.1时有弱的铁磁性.
2018, 67 (15): 157511.
doi: 10.7498/aps.67.20180946
摘要 +
钙钛矿结构BiMnO3作为同时具有铁电性与铁磁性的多铁材料，在人工神经网络方面可以作为一种潜在的人工突触材料，从而设计出新型多铁人工突触器件.本文使用第一性原理计算的方法，分别研究了四方相BiMnO3在xy面内施加0.18%与4%应力条件下的铁电情况，以及Mn原子磁矩随着铁电极化强度变化的曲线.结果表明，在四方相多铁BiMnO3中，Mn原子磁矩会随着极化强度的增强而增大，表示其铁磁性可以在一定程度上由其铁电极化来进行调控，并且应力越大，其磁矩变化范围就越大.这一结果使得多铁BiMnO3在人工突触器件设计方面拥有潜在的应用价值，多铁性使其在作为人工突触器件材料中具有更多可调控的自由度，从而可用于模拟多突触连接.这可为将来构造类脑芯片打下一定的理论基础.
2018, 67 (15): 157503.
doi: 10.7498/aps.67.20180317
摘要 +
杂化非本征铁电性是指在具有钙钛矿结构单元的金属氧化物中由氧八面体面内旋转和面外倾侧耦合诱导出的二阶铁电序，其有望在室温强磁电耦合多铁性材料中获得重要应用，并将极大地拓展铁电体物理学的内涵和外延.本文在阐述杂化非本征铁电性物理起源及其内禀电控磁性的基础上，总结了有关Ruddlesden-Popper结构杂化非本征铁电体及多铁性的主要研究进展与面临的挑战，并展望了发展方向.
2018, 67 (15): 157701.
doi: 10.7498/aps.67.20180483
摘要 +
铁电材料是一类重要的功能材料，铁电元件的小型化、集成化是当今铁电材料发展的一大趋势.但是尺寸效应、表面效应等的存在制约了传统块体铁电材料在纳米尺度下的应用，因而低维度纳米材料中的铁电性能研究成为当前材料科学领域的研究热点之一.本文综述了近年来理论和实验上关于低维铁电材料的探索，包括二维范德瓦耳斯层状铁电材料、共价功能化低维铁电材料、低维钙钛矿材料、外界调控以及二维铁电金属等材料的理论预言与实验铁电性的观测；也提出一些物理新机制来解释低维下的铁电性；最后对该领域今后的发展进行了展望.
2018, 67 (15): 157801.
doi: 10.7498/aps.67.20180979
摘要 +
介绍了铁电光伏效应的发展历史和现状，通过与传统半导体p-n结光伏器件比较，旨在阐述铁电光伏器件非比寻常的优点和重要的应用前景.铁电光伏效应分为体光伏效应和反常光伏效应，多种物理机制已被发现，无疑为铁电光伏效应的提高指明了方向.还对钙钛矿氧化物、卤化物和双钙钛矿结构氧化物等铁电体中的光伏效应进行了阐述，讨论了通过引入新的自由度实现多功能性光伏器件的可能性.
2018, 67 (15): 156101.
doi: 10.7498/aps.67.20181028
摘要 +
精确调控ABO3钙钛矿结构中氧空位的位置与浓度已被证明可调控多铁性薄膜的不同物理性质，包括输运特性、光学特性和多铁性质等.本文回顾了多种典型的多铁性材料，从氧空位形成机理、氧八面体结构、应变-氧空位关系和具体物性调控效应（多铁、超导和电化学性能）等角度介绍了该体系中氧空位调控效应.同时依托氧空位调控的最新研究进展，尤其是对氧空位调控单相材料多铁性质方面工作的分析，为探索新型磁电功能性材料与器件提供了重要参考.
2018, 67 (15): 157504.
doi: 10.7498/aps.67.20180936
摘要 +
钙钛矿型氧化物因具有丰富的磁性、铁电、力学和光学等诸多功能属性，在电子信息通信材料器件领域中有广阔的应用前景.在各种物理性质之中，铁电极化因其产生机制多样，并能与磁性和晶格应变相互耦合形成多铁性等特点，近十多年来一直被作为凝聚态物理研究的国际热点问题.与以自发极化作为初级序参量的常规铁电材料不同，非常规铁电材料中的铁电极化是被其他的序参量诱导而产生的.本综述围绕无机钙钛矿型氧化物非常规铁电体的研究进展进行了总结.回顾了该体系经典唯象理论和原子尺度的微观模型，有序排列的人工钙钛矿超晶格型结构，以及稀土正铁氧体单晶的反铁磁畴壁结构中非常规铁电的极化强度大小及其诱导机制，为系统理解非常规铁电提供了理论途径.
2018, 67 (15): 157505.
doi: 10.7498/aps.67.20180878
摘要 +
钙钛矿是研究磁电多铁性最重要的材料体系之一.由于高的结构对称性，在以往的立方钙钛矿晶格中尚未发现多铁现象.另外，现有的单相多铁性材料很难兼容大电极化和强磁电耦合，严重制约多铁性材料的潜在应用.本文简单综述了利用高压高温条件制备的两个多阶有序钙钛矿氧化物的磁电多铁性质.在具有立方晶格的多阶钙钛矿LaMn3Cr4O12中，观察到自旋诱导的铁电极化，表明该材料是第一个被发现的具有多铁性的立方钙钛矿体系.在另一个多阶有序钙钛矿BiMn3Cr4O12中，随温度降低该材料依次经历了I类多铁相和Ⅱ类多铁相.正因为这两类不同多铁相的同时出现，BiMn3Cr4O12同时展示了大的电极化强度和强的磁电耦合效应，并且通过不同的电场调控可实现四重铁电极化态，为开发多功能自旋电子学器件与多态存储提供了先进的材料基础.
2018, 67 (15): 157507.
doi: 10.7498/aps.67.20180857
摘要 +
多铁性材料可以实现力、电、磁等多物理场之间的相互耦合，在小尺寸、快速响应和低功耗的磁电器件领域具有重要的应用前景.在应用需求的推动下，以具有磁电耦合效应的多铁性材料为基础的磁电器件在设计、微纳加工和性能优化等方面的研究取得了持续的进展.本文简要介绍了基于磁电耦合效应的几种原型器件的最新进展，包括可调谐电感、滤波器、磁电存储器、能量回收器、磁电传感器和磁电天线等，分析总结了各种磁电器件的工作原理及其性能表现，讨论了当前多铁性磁电器件研究所面临的问题和挑战，并提出了改进磁电器件性能的研究方向.
2018, 67 (15): 157702.
doi: 10.7498/aps.67.20181159
摘要 +
室温单相多铁材料非常稀缺，磁性元素掺杂的铋层状钙钛矿结构Aurivillius相氧化物是一类重要的单相室温多铁材料，但由于缺少单晶类样品，这一类多铁材料研究主要是围绕多晶类块体或者多晶薄膜展开，它们的磁、电等性能研究大都采用宏观探测方式，因此这类多铁材料的多铁性机理研究进行得非常困难.近年来在高质量单晶薄膜的基础上，研究了多种磁性元素掺杂和不同周期结构的铋层状氧化物多铁单晶薄膜.这些单晶薄膜在室温下大都具有层状面面内方向的铁电极化，以及比较小的室温磁化强度，低温区存在第二个磁性相变.通过X射线共振非弹性散射实验发现元素掺杂会改变金属和氧原子之间的氧八面体晶体场的劈裂，能够增强铁磁性.另一方面，通过极化中子反射实验发现薄膜主体的磁化强度远小于通常探测的宏观磁化强度，说明单晶薄膜中磁的来源及其磁电耦合机理和多晶块体很可能是不同的.铋层状单晶薄膜的多铁性对未来继续改善这类材料的多铁性能有很好的指导作用.
2018, 67 (15): 157502.
doi: 10.7498/aps.67.20180810
摘要 +
选用多种切型铌酸锂（LiNbO3）单晶，研究了铁基非晶合金（Metglas）/LiNbO3叠层复合材料基于伸缩-剪切模式的磁电耦合性能，揭示了铌酸锂单晶压电系数与复合材料剪切磁电耦合系数的对应关系，在使用铌酸锂xzt/30切型时得到了最优化剪切磁电系数.通过SrFe12O19薄磁带提供偏置磁场，Metglas/LiNbO3磁电复合材料可在没有外加直流磁场时实现剪切磁电响应，并在0.991 MHz和3.51 MHz频率时分别测出了谐振磁电系数，有望将铌酸锂基剪切磁电复合材料用于高频磁场探测.
2018, 67 (15): 157508.
doi: 10.7498/aps.67.20180856
摘要 +
磁电异质结是由铁磁和铁电材料通过连接层耦合而成，其磁电效应来源于铁电相的压电效应和铁磁相的磁致伸缩效应.相对于颗粒混相磁电复合材料，层状磁电异质结材料具有更高的磁电耦合系数和更低的介电损耗，使得其在磁场传感器、能量收集器、天线以及存储器等领域都有着巨大的应用前景.本综述重点总结了磁电异质结材料的发展历程以及相关应用领域的最新进展，最后评述了磁电异质结材料发展的挑战和前景展望.
2018, 67 (15): 157509.
doi: 10.7498/aps.67.20180759
摘要 +
随着人们对多铁性的深入了解，越来越多不同类型的有机多铁材料被合成出来.激发态电荷转移有机体的电荷转移网络是由一个提供电子的分子（给体donor，D+）和一个接受电子的分子（受体acceptor，A-）有序排列后构成的.D+A-长程有序排列，其激发态（激子）具有较长寿命和1/2自旋，这是产生室温铁电性和铁磁性的根本原因.激发态容易受外场刺激，因此光照、磁场、电场、应力等能够很好地调控这类材料的铁电极化、磁矩和相应的磁电耦合系数.激发态电荷转移有机体不仅大大丰富了室温多铁材料体系，而且可以为开发新型多功能电子器件提供材料基础和技术储备.
2018, 67 (15): 157512.
doi: 10.7498/aps.67.20181219
摘要 +
近年来，多铁异质结中电控磁性研究引起了广泛关注，已成为多铁领域的热点.现代自旋电子学器件（如磁内存）通常利用电流产生的磁场或自旋转移扭矩效应驱动磁反转来实现数据擦写，但这带来高额能耗和热量，成为亟待解决的关键难题.而利用多铁异质结实施电场驱动磁反转则有望大幅降低能耗，从而实现高速、低能耗、高稳定性新型高密度磁存储、逻辑及其他自旋电子学器件.在当前器件发展的微型化趋势下，探索可集成化的微纳尺度电场驱动磁反转方案显得越发重要.本文针对发展新型磁电器件所面临的微型化关键问题，回顾了微纳尺度电场驱动磁反转研究的新进展，主要关注小尺度多铁异质结中电控磁的新特点、新方法及相关物理机理的实验和理论成果，讨论了进入纳米尺度将面临的挑战，并对未来研究工作提出一些展望.
2018, 67 (15): 157513.
doi: 10.7498/aps.67.20181272
摘要 +
电场调控磁性能够有效降低功耗，在未来低功耗多功能器件等方面具有巨大的潜在应用前景.铁磁/铁电多铁异质结构是实现电场调控磁性的有效途径，其中室温、磁电耦合效应大的应变媒介磁电耦合是最为活跃的研究领域之一.本文简要介绍在以Pb（Mg1/3Nb2/3）0.7Ti0.3O3为铁电材料的多铁异质结构中通过应变媒介磁电耦合效应对磁性、磁化翻转及磁性隧道结调控的研究进展.首先讨论了多铁异质结构中电场对磁性的调控；之后介绍了电场调控磁化翻转的研究进展及理论上实现的途径；然后简述了电场对磁性隧道结调控的相关结果；最后在此基础上，对多铁异质结构中电场调控磁性及磁性器件进行了总结和展望.
2018, 67 (15): 157506.
doi: 10.7498/aps.67.20180911
摘要 +
电子信息技术的迅速发展对磁电功能器件的微型化、智能化、多功能化以及灵敏度、可靠性、低功耗等都提出了更高的需求，传统的块体磁电功能材料已日渐不能满足上述需求，而层状磁电复合薄膜材料同时具有铁电性、铁磁性和磁电耦合等多种特性，因此能满足上述需求且有望应用于新一代磁电功能器件.层状磁电复合材料不仅具有非常丰富的物理现象和效应，而且在弱磁探测器、多态存储器、电写磁读存储器、电场可调低功耗滤波器、移相器、天线等微波器件中也具有广阔的应用前景，因而受到材料科学家和物理学家广泛的关注和研究.在层状磁电复合材料中，功能薄膜/铁电单晶异质结因其制备简单、结构设计和材料选择灵活以及电场调控方便和有效，最近十余年引起了越来越多的研究人员的兴趣.目前，以具有优异铁电和压电性能的（1-x）PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3（PMN-PT）单晶作为衬底，构建功能薄膜/PMN-PT异质结已成为国内外多铁性复合薄膜材料研究领域的重要方向之一.相比于其他国家，我国科学家无论在发表的文章数量还是在文章被引用次数方面都处于领先地位，表明我国在功能薄膜/PMN-PT单晶异质结方面的研究卓有成效.迄今为止，研究人员已构建了锰氧化合物/PMN-PT、铁氧体/PMN-PT、铁磁金属/PMN-PT、稀磁半导体/PMN-PT、发光材料/PMN-PT、二维材料/PMN-PT、多层薄膜/PMN-PT、超导薄膜/PMN-PT等多种类型的异质结，在理论研究和实验方面都取得了丰富的研究成果.本文对基于PMN-PT压电单晶的磁电复合薄膜材料的研究进展进行了总结：简要介绍了与功能薄膜/PMN-PT异质结相关的研究论文发表现状；介绍了PMN-PT单晶在准同型相界附近的相图和应变特性；按照功能薄膜材料所属的体系对异质结进行了分类，并选取部分代表性的研究成果，介绍了材料的磁电性能和内涵的物理机制；最后就目前有待解决的问题和未来可能的应用方向进行了总结和展望.
2018, 67 (15): 157510.
doi: 10.7498/aps.67.20180817
摘要 +
异常钙钛矿结构氧化物是多铁性材料家族中研究得最为广泛的体系之一.本文从ABO3钙钛矿结构出发，引入了异常A2BB'O6双钙钛矿材料，首先简要介绍了传统及异常A2BB'O6双钙钛矿氧化物的结构特点；然后讨论了A2BB'O6多铁性材料的研究进展，包括A位为Mn，Ni等过渡金属离子的极性磁体多铁性材料和A2CoMnO6（A=Lu，Y，Yb，Lu）以及Mn2FeSbO6等第Ⅱ类多铁性材料；最后，在以上基础上展望了异常A2BB'O6双钙钛矿多铁性研究中存在的问题及新型多铁性材料研究的方向.
