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鈣鈦礦無機-有機雜化材料的磁電耦合研究進展
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傳統(tǒng)材料通常被分為無機材料與有機材料。由無機單元與有機單元結(jié)合形成的無機-有機雜化材料是一類新型晶體材料，它們可以表現(xiàn)出不同尋常的物理化學(xué)性質(zhì)，成為凝聚態(tài)物理研究的新家族。金屬-有機骨架（Metal-Organic Framework，MOF）是一類代表性的無機-有機雜化材料，因其在儲氫、催化、藥物輸送和光電器件等方面具有潛在的應(yīng)用價值而受到廣泛關(guān)注。中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）磁學(xué)實驗室孫陽研究組近年來開展了無機-有機雜化MOF材料的磁電性質(zhì)研究，取得了一系列重要進展，如發(fā)現(xiàn)了磁場可以控制鐵電極化，低溫磁化強度共振量子隧穿行為等[Scientific Reports 3, 2024 (2013)，Phys. Rev. Lett. 112, 017202 (2014)]。近期，孫陽研究組在MOF材料的多鐵性與磁電耦合效應(yīng)研究領(lǐng)域取得了新進展。 多鐵性是指一種材料中同時具有磁有序和鐵電有序的現(xiàn)象。在多鐵性材料中，共存的磁有序和鐵電有序之間還可能存在交叉耦合，即磁電耦合效應(yīng)，使得電場控制磁化強度以及磁場控制電極化成為可能。近年來，人們在一些MOF材料中發(fā)現(xiàn)了磁有序與鐵電有序的共存（多鐵性），但是，關(guān)于多鐵性MOF中是否存在磁電耦合一直存在爭議。通常的觀點認為MOF中鐵電有序來源于有機單元中氫鍵無序-有序的轉(zhuǎn)變，不依賴于無機磁性離子，因而磁有序和鐵電有序相互之間沒有關(guān)聯(lián)和耦合。由于實驗上一直沒有觀察到多鐵性MOF中的磁電耦合效應(yīng)，這種觀點目前占據(jù)主流地位。最近，孫陽研究員、柴一晟副研究員與研究生田英等利用自主研制的多功能磁電耦合測量系統(tǒng)，精確測量了一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)MOF材料[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3單晶的多鐵性與磁電耦合效應(yīng)。該體系在20 K以下具有自旋傾斜反鐵磁有序，在164 K以下具有弱鐵電性，因而具有多鐵性。實驗發(fā)現(xiàn)其介電常數(shù)在發(fā)生磁有序相變時出現(xiàn)反常跳躍，并且介電常數(shù)在低溫磁有序態(tài)強烈依賴于外加磁場，表現(xiàn)出明顯的正磁電耦合效應(yīng)。同時，外加電場可以改變磁有序態(tài)的磁化強度，表現(xiàn)出清晰的逆磁電耦合效應(yīng)。這些實驗結(jié)果首次給出了多鐵性MOF中磁有序與鐵電有序存在耦合的強有力證據(jù)，對多鐵性MOF的研究具有重要啟示意義。這一磁電耦合的實驗結(jié)果與意大利CNR-SPIN 的Stroppa和Picozzi教授等的理論計算相一致，表明在一些鈣鈦礦結(jié)構(gòu)MOF中，其鐵電性可以來源于一種復(fù)合機制，同時涉及到A位有機單元的氫鍵有序和B位磁性離子的晶格畸變，從而使得鐵電有序與磁有序存在一定的關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)出磁電耦合效應(yīng)。以上研究結(jié)果分別發(fā)表在Scientific Reports 4, 6062 (2014)和Phys. Status Solidi RRL 8, 91 (2014)。由于這是首次在無機-有機雜化材料中觀察到電場控制磁性，該工作被Materials Views網(wǎng)站在首頁作為research headline重點推薦，并由該網(wǎng)站學(xué)術(shù)撰稿人針對這一發(fā)現(xiàn)寫了專題評論文章。 |
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2014-12-03 11:53:31, 446.8 K
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 uicorn3 | 物理，光學(xué) | 鈣鈦礦發(fā)光 |
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