张伟雄教授研究团队取得磁电耦合材料新进展

稿件来源:院办 发布人:李心宇 编辑:院办 发布日期:2018-10-22

       在单一材料中实现磁电耦合效应,进而利用磁场与电场交叉调控材料的电性和磁性,是面向未来器件高度集成化需求的一个重要研究方向。其中,磁介电材料作为磁电耦合材料的一种,其介电性质能被磁场调控,可用于电容共振器、信息存储及开关等应用领域。该类材料的首次实验报道始于1960年在Cr2O3单晶中发现非常弱的磁介电耦合效应,但随后进展非常缓慢;直至2003年在TbMnO3单晶中观察到强磁介电耦合效应,重新激发了人们在更多的材料体系中寻找磁介电耦合效应的兴趣。近十年来,除了在无机氧化物体系之外,寻找磁介电材料的兴趣逐渐扩展到有机无机杂化的分子材料体系。相比于无机氧化物,它们有更加丰富多变的结构基元、更易于进行结构微调并可在常温常压下进行溶液化学合成。当前的研究多数集中于具有三维磁有序特征的金属甲酸框架化合物上,但是,目前仅在极个别化合物中才明确观察到很弱的磁介电耦合效应。因此,非常有必要在更多样的分子磁体中探索磁介电耦合效应,以寻找性能更优的分子基磁介电材料。

       近年来,张伟雄教授研究团队重点关注具有准二维磁有序特征的层状钙钛矿磁体,并发现了一例可以在降温过程中依次发生铁弹、铁电和铁磁相变的层状钙钛矿化合物(J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 8704);该化合物还表现出与结构相变伴生的磁性和介电双稳态共存现象,暗示着其无机层的磁有序与有机层的偶极排列有望通过氢键作用相互关联。基于这些前期工作,研究团队针对性地选择了多例层状钙钛矿磁体,制备它们的大尺寸高质量单晶样品,进而在这些化合物中探索可能的磁介电耦合效应。

 

图1 在两例层状钙钛矿磁体中观察到磁介电耦合效应

1 在两例层状钙钛矿磁体中观察到磁介电耦合效应

 

       近日,张伟雄教授研究团队在两例层状钙钛矿磁体[C6H5CH2CH2NH3]2[MCl4] (M = Mn2+, Cu2+)的单晶样品中均明确观察到磁介电耦合效应。其中,Mn化合物在低于磁有序温度(44.3 K)即可表现磁介电耦合效应,并与场致自旋翻转同步发生(磁场~34 kOe);Cu化合物在9.5 K以下的多铁相中表现出可由低场(1 kOe)控制的磁介电耦合效应。它们的介电常数与磁化强度在改变磁场时可以同步变化,并且该现象在反复切换磁场十几次后仍然保持高度重现性。这些结果充分表明,虽然这两个化合物具有不同的磁有序结构,但是均存在由场致自旋重取向产生的磁介电耦合效应。鉴于层状钙钛矿化合物数目众多,这个发现为寻找分子基磁介电材料打开了一个新宝库。

       这一成果近期发表在Chemical Science 上:Bo Huang, Jian-Yu Zhang, Rui-Kang Huang, Ming-Kun Chen, Wei Xue, Wei-Xiong Zhang,* Ming-Hua Zeng, Xiao-Ming Chen, Spin-reorientation-induced magnetodielectric coupling effects in two layered perovskite magnets, Chem. Sci., 2018, 9, 7413-7418. 黄波博士为论文的第一作者,张伟雄教授为通讯作者。

       该工作得到了中山大学陈小明教授和广西师范大学曾明华教授的大力支持,以及国家自然科学基金等项目的资助。

 

       论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/sc/c8sc02917b#!divAbstract