金屬所發(fā)現多鐵材料中鐵電極化增強的新機制

磁電多鐵材料是一種同時具有鐵磁性和鐵電性的多功能材料，近年來備受關注。由于其電學性質和磁學性質之間相互耦合，磁電多鐵材料可以實現磁場控制電極化或者電場調控磁學性質，在高密度、低能耗、高讀寫速率器件中有著廣闊的應用前景。

磁電多鐵材料的疇壁處存在晶格、自旋、軌道和電荷等多種自由度之間的相互作用，經常表現出體材料中所不具備的新奇物性，對調控材料的鐵電性和磁學性能起著重要作用。然而，由于退極化場的不完全屏蔽或梯度能影響，疇壁處的鐵電極化強度往往會降低，對材料的性能與應用帶來不利影響。疇壁處的鐵電極化是否能夠實現增強是一個具有重要科學意義與潛在應用的基礎科學問題。此外，鐵電疇壁對磁電多鐵性材料的磁學性能具有重要影響，揭示鐵電疇壁處的磁性耦合機制對于深入理解其磁電行為至關重要。

為了探索疇壁處的新穎界面現象與物性，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料結構與缺陷研究部的相關團隊，圍繞磁電多鐵材料中鐵電疇壁處的鐵電極化行為和磁性耦合機制開展了系統(tǒng)性的研究工作，發(fā)現ε-Fe₂O₃中疇壁處的鐵電極化行為受束縛電荷密度的調控。研究表明，ε-Fe₂O₃薄膜中存在兩種類型的180°尾對尾鐵電疇壁。透射電鏡原子結構表征的結果表明，在I型疇壁處出現了罕見的鐵電極化顯著增強（約43%）現象（如圖2所示），而在II型疇壁處的鐵電極化強度減弱至接近于零（如圖3所示）。第一性原理計算表明，I型疇壁處束縛電荷密度低，從而導致其鐵電極化增強；II型疇壁處的束縛電荷密度高，從而導致其鐵電極化減弱（如圖4所示）。I型和II型鐵電疇壁處的磁性耦合方式分別為反鐵磁性耦合和鐵磁性耦合（如圖5所示），它們對ε-Fe₂O₃的磁學性能具有重要影響。該研究表明磁電多鐵材料中疇壁處的鐵電極化可表現出顯著增強的現象，鐵電疇壁在其磁學性能方面也發(fā)揮著重要作用，這不僅深化了人們對磁電多鐵材料中豐富物理現象與行為的認識，還為提升其性能及推進其實際應用提供了新思路。

該工作得到了國家杰出青年科學基金、國家青年基金和廣東省基礎與應用基礎研究重大項目等項目的資助。相關研究結果于7月19日在Nature Communications上在線發(fā)表，題為“Ferroelectric polarization and magnetic structure at domain walls in a multiferroic film”。論文的共同第一作者為陶昂博士、江亦瀟副研究員和陳珊珊博士，通訊作者為陳春林研究員和馬秀良研究員，葉恒強院士指導了研究工作。

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圖1.（a）ε-Fe₂O₃的原子結構，（b）ε-Fe₂O₃的磁結構，（c）ε-Fe₂O₃的鐵電極化，（d）ε-Fe₂O₃相沿[1 ?00]方向的HAADF像。

圖2. （a,c）I型疇壁分別沿[100]和[1 ?00]方向的HAADF像，（b,d）對應的模擬HAADF像，（e）疇壁附近不同原子層的相對位移量，（f）計算得到的不同原子層的相對位移量和對應的鐵電極化強度。I型疇壁處的鐵電極化強度顯著增強。

圖3. （a,c）II型疇壁分別沿[100]和[1 ?00]方向的HAADF像，（b,d）對應的模擬HAADF像，（e）疇壁附近不同原子層的相對位移量，（f）計算得到的不同原子層的相對位移量和對應的鐵電極化強度。II型疇壁處的鐵電極化強度降低到接近于零。

圖4. 疇壁處鐵電極化增強或減弱的物理機制。（a）I型疇壁的原子模型與束縛電荷分布，（b）II型疇壁的原子模型與束縛電荷分布。疇壁處的鐵電極化行為受束縛電荷密度的調控。

圖5. （a）I型疇壁的態(tài)密度圖，（b）II型疇壁的態(tài)密度圖。I型疇壁兩側的磁矩為反平行排列，形成反鐵磁性耦合；II型疇壁兩側的磁矩為平行排列，形成鐵磁性耦合。