到目前為止對多鐵性材料研究取得了大量的成果,但也存在著一些問題:第一類多鐵材料的磁電耦合效應(yīng)很弱;第二類多鐵材料的鐵電極化和居里溫度較低,三維多鐵材料降到二維尺度時(shí)鐵電性和磁性的消失等等。這些問題限制了多鐵材料的實(shí)際應(yīng)用,但也引導(dǎo)研究者們進(jìn)行不斷的探索。自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來,二維范德瓦爾斯材料取得了長足的發(fā)展,二維磁性,二維鐵電以及二維多鐵的報(bào)道層出不窮。多鐵性在二維材料當(dāng)中的存在形式十分的豐富,既包括Ⅰ類多鐵、Ⅱ類多鐵以及在它們之外的磁電耦合形式,對二維多鐵的研究也有希望能夠解決在傳統(tǒng)單相多鐵材料研究中面臨的一些瓶頸問題。雖然有大量的研究者通過第一性原理計(jì)算等方法預(yù)測了很多二維多鐵材料以及它們當(dāng)中磁性、鐵電性以及磁電耦合的存在形式,但由于材料較難合成,材料及其不穩(wěn)定等因素,對這些材料的實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證相對較少。過渡金屬硫代亞磷酸鹽化合物是類似于過渡金屬硫化物的范德瓦爾斯晶體,層與層之間的作用力較弱,能夠輕易的通過機(jī)械剝離法從大塊單晶上獲得少層甚至單層樣品。過渡金屬硫代亞磷酸鹽CuMP₂S₆（M=Cr,V）就代表了目前已發(fā)現(xiàn)的二維多鐵材料當(dāng)中的... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：73 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

TMDs的典型結(jié)a)MX2的結(jié)構(gòu)示意圖；b)1

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-11-聲子關(guān)聯(lián)、多重元激發(fā)這些都是凝聚態(tài)物理的前沿內(nèi)容，通過對多鐵材料的研究和理解也能推動(dòng)凝聚態(tài)物理向更深層次發(fā)展。如何實(shí)現(xiàn)良好的鐵電性和強(qiáng)電磁耦合，探究室溫多鐵材料是多鐵材料研究的一大障礙，同時(shí)也是一個(gè)值得深入研究的量子調(diào)控課題。由于材料鐵性含義的不斷擴(kuò)大，廣義的多鐵材料是指只要包含鐵磁序（亞鐵磁序、反鐵磁序）、鐵電序、鐵彈序、渦旋序、拓?fù)湫虻绕渲械膬蓚�(gè)或者兩個(gè)以上即可。而狹義的多鐵性材料定義則是指同時(shí)具有鐵電序和鐵磁序的單相材料。圖1-7a)展示了多鐵性與電極化、磁極化之間的關(guān)系，其中只有部分磁極化材料和電極化材料才具有鐵磁或鐵電特性，同時(shí)擁有鐵磁和鐵電特性的材料則更少，這部分材料即為多鐵材料[78]。圖1-7b)為多鐵材料中耦合是如何產(chǎn)生的示意圖，對于磁電多鐵材料則必須同時(shí)具有鐵磁性和鐵電性[79]。按體系多鐵性材料可以被分為單相多鐵材料和復(fù)合多鐵材料，目前人們習(xí)慣于按照相關(guān)機(jī)制把單相多鐵性材料分為第Ⅰ類多鐵材料和第Ⅱ類多鐵性材料。1.3.1Ⅰ類多鐵性材料目前理論上來看，鐵電性與磁有序的產(chǎn)生機(jī)制似乎是天然互斥的[80]，這也是現(xiàn)實(shí)中多鐵性材料相對較少的原因。我們以研究較多的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物為例，有科學(xué)家從理論上分析了鐵電性和鐵磁性在這些材料中共存的條件。鐵電性可以被看成由晶體的非對稱性產(chǎn)生，位于氧八面體中心的陽離子偏離了晶體的中心位置使得正負(fù)電荷中心不重合進(jìn)而產(chǎn)生了電偶極矩。就目前來說鈣鈦礦鐵電體中的中心離子的d軌道都呈d0態(tài)，這種狀態(tài)沒有局域磁矩也沒有凈原圖1-7多鐵性材料性質(zhì)的簡單示意圖[78]a)多鐵性材料和磁電材料之間的聯(lián)系；b)多鐵材料中不同的耦合a)b)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-12-子磁矩，當(dāng)然也無法構(gòu)成磁有序的鐵磁、反鐵磁等。因此磁性和鐵電性共存的矛盾情況在于：對于鐵電體來說擁有d0構(gòu)型的過渡金屬離子在鍵合成鍵的時(shí)侯才能偏離中心具有鐵電性，但電子自旋也會(huì)相互抵消，從而無磁性。從表面上即表現(xiàn)出了鐵電性與磁性是互相排斥的。當(dāng)然也有其他的研究者提出不一樣的解釋，如：鐵電性和磁性相互互斥是因?yàn)椋喝绻纬闪司植看庞騽t金屬離子同氧離子間的雜化共價(jià)鍵也被破壞，從而無法繼續(xù)形成單態(tài)[81,82]。當(dāng)然也存在著很多鐵電性與磁性共存的材料，從理論上來說，鐵電性與磁性有著很多相類似的現(xiàn)象，比如在外場下都有回線、疇結(jié)構(gòu)等等，因此目前也有不少能夠?qū)崿F(xiàn)鐵電性和磁性共存的方法和思路。思路最簡單研究最早的思路是：設(shè)計(jì)同時(shí)具有兩種功能單元的單相物質(zhì)。一種單元是非中心對稱，實(shí)現(xiàn)鐵電性和介電響應(yīng)；另一種單元是磁性離子。樣的單相物質(zhì)就同時(shí)具備了鐵電性和磁性。人們習(xí)慣于把這類材料稱作第Ⅰ類多鐵性材料。根據(jù)鐵電極化產(chǎn)生的不同原因，第一類多鐵性材料又可以被分為如下幾種，圖1-8展示了極化產(chǎn)生的幾種機(jī)制[83]。對于孤電子對機(jī)制：離子中最外層s軌道上兩個(gè)未參與成鍵的電子被叫做孤電子對，孤電子對是不穩(wěn)定的，當(dāng)電子分布使離子丟失對稱性的時(shí)候即產(chǎn)生c)圖1-8極化產(chǎn)生機(jī)制示意圖[83]a)孤電子對機(jī)制b)幾何結(jié)構(gòu)機(jī)制c)電荷有序機(jī)制a)b)c)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]多鐵性材料研究進(jìn)展及發(fā)展方向[J]. 南策文.  中國科學(xué):技術(shù)科學(xué). 2015(04)



本文編號：3441439