钙钛矿无机-有机杂化材料的磁电耦合研究进展

nrrl0823004传统材料通常被分为无机材料与有机材料。由无机单元与有机单元结合形成的无机-有机杂化材料是一类新型晶体材料,它们可以表现出不同寻常的物理化学性质,成为凝聚态物理研究的新家族。金属-有机骨架(Metal-Organic Framework,MOF)是一类代表性的无机-有机杂化材料,因其在储氢、催化、药物输送和光电器件等方面具有潜在的应用价值而受到广泛关注。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学实验室孙阳研究组近年来开展了无机-有机杂化MOF材料的磁电性质研究,取得了一系列重要进展,如发现了磁场可以控制铁电极化,低温磁化强度共振量子隧穿行为等[Scientific Reports 3, 2024 (2013),Phys. Rev. Lett. 112, 017202 (2014)]。近期,孙阳研究组在MOF材料的多铁性与磁电耦合效应研究领域取得了新进展。

多铁性是指一种材料中同时具有磁有序和铁电有序的现象。在多铁性材料中,共存的磁有序和铁电有序之间还可能存在交叉耦合,即磁电耦合效应,使得电场控制磁化强度以及磁场控制电极化成为可能。近年来,人们在一些MOF材料中发现了磁有序与铁电有序的共存(多铁性),但是,关于多铁性MOF中是否存在磁电耦合一直存在争议。通常的观点认为MOF中铁电有序来源于有机单元中氢键无序-有序的转变,不依赖于无机磁性离子,因而磁有序和铁电有序相互之间没有关联和耦合。由于实验上一直没有观察到多铁性MOF中的磁电耦合效应,这种观点目前占据主流地位。最近,孙阳研究员、柴一晟副研究员与研究生田英等利用自主研制的多功能磁电耦合测量系统,精确测量了一种钙钛矿结构MOF材料[(CH3)2NH2]Fe(HCOO)3单晶的多铁性与磁电耦合效应。该体系在20 K以下具有自旋倾斜反铁磁有序,在164 K以下具有弱铁电性,因而具有多铁性。实验发现其介电常数在发生磁有序相变时出现反常跳跃,并且介电常数在低温磁有序态强烈依赖于外加磁场,表现出明显的正磁电耦合效应。同时,外加电场可以改变磁有序态的磁化强度,表现出清晰的逆磁电耦合效应。这些实验结果首次给出了多铁性MOF中磁有序与铁电有序存在耦合的强有力证据,对多铁性MOF的研究具有重要启示意义。这一磁电耦合的实验结果与意大利CNR-SPIN 的Stroppa和Picozzi教授等的理论计算相一致,表明在一些钙钛矿结构MOF中,其铁电性可以来源于一种复合机制,同时涉及到A位有机单元的氢键有序和B位磁性离子的晶格畸变,从而使得铁电有序与磁有序存在一定的关联,表现出磁电耦合效应。以上研究结果分别发表在Scientific Reports 4, 6062 (2014)Phys. Status Solidi RRL 8, 91 (2014)。由于这是首次在无机-有机杂化材料中观察到电场控制磁性,该工作被Materials Views网站在首页作为research headline重点推荐,并由该网站学术撰稿人针对这一发现写了专题评论文章

该工作得到了科技部量子调控项目及国家自然科学基金的资助。

原文链接:中科院物理研究所