Nature子刊：二元鈣鈦礦錳氧化物Mn2O3中自旋誘導的多鐵性

【前言】

鈣鈦礦結構過渡金屬氧化物為凝聚態物理和材料科學提供了前所未有的研究舞臺。它們表現出許多令人興奮的現象和功能特性，如奇異的磁性、鐵電性、高溫超導性、巨磁電阻、電荷/軌道有序、顯著的熱電效應、巨大的負熱膨脹、光電性、多鐵性等等。在ABO₃鈣鈦礦結構中，有兩個不同的陽離子位點，即由氧配位的八面體B位點和由立方八面體配位且經常嚴重扭曲的A位點。半徑小而且電荷多的過渡金屬陽離子通常占據B位點，但是它們很難適合占據大的12配位的A位點。然而，在一類獨特的A位有序鈣鈦礦中，如鈣鈦礦錳氧化物(AMn₃)Mn₄O₁₂ (A?=?Na, Ca, La, Bi)中，過渡金屬離子可以部分填充A位。如果更進一步，過渡金屬離子完全占據A -位將產生B₂O₃二元鈣鈦礦，但是，到目前為止這仍然是一個巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，來自德國巴羅伊特大學的Sergey V. Ovsyannikov博士和中科院物理所的孫陽研究員（共同通訊）聯合在Nature Communications上發表文章，題為：Spin-induced multiferroicity in the binary perovskite manganite Mn₂O₃。該團隊的研究表明，在一定的高溫高壓極端條件下，可以制備出亞穩相二元鈣鈦礦Mn₂O₃，這種材料在低溫下表現出磁有序誘導的鐵電性和顯著的磁電耦合效應。中子粉末衍射結果揭示了100 K以下兩個復雜的反鐵磁結構，由自旋、電荷和軌道自由度之間的強相互作用驅動。Mn₂O₃鈣鈦礦中特有的多鐵性歸因于涉及多種機制的綜合效應。該團隊的工作證明了亞穩相二元鈣鈦礦氧化物在探索新型磁電功能材料方面具有極大的潛力。

【圖文導讀】

圖1. Mn₂O₃型鈣鈦礦的晶體結構

a 一種高度扭曲和傾斜的鈣鈦礦單元晶胞;

b 在a = 4a_p超級晶胞內測定的二元鈣鈦礦Mn₂O₃的晶體結構；

c 鈣鈦礦Mn₂O₃的相對熱膨脹( V₀是環境條件下的單位晶胞體積)；

圖2. Mn₂O₃型鈣鈦礦的磁特性

a 零場冷卻(ZFC)和場冷卻(FC)模式下在500 Oe磁場中測量的直流磁化率隨溫度的變化關系；

b 和c 表示外加磁場對上述磁轉變的影響；

d 交流磁化率隨溫度的變化關系；

e 2K下的M - H曲線顯示，磁化強度在13T時依然沒有飽和；

圖3. 鈣鈦礦型Mn₂O₃的中子衍射數據

a, b 分別在60k和1.5k下收集的中子衍射圖的改進；

圖4. 鈣鈦礦型Mn₂O₃的磁結構

a 高溫區(49?K?<?T?<?101?K)的磁結構示意圖；

b 低溫區階段(T?<?49?K)的磁結構示意圖；

圖5.二元鈣鈦礦Mn₂O₃中的自旋誘導鐵電性

a 作為溫度函數的介電常數隨溫度的變化;

b 用0.4 MV?m^?1的極化電場測量的電極化隨溫度的變化;

c 用不同極化電場測量的極化;

d 極化強度隨極化電場的變化;

圖6. 二元鈣鈦礦Mn₂O₃中電極化的磁場控制

a 磁場對熱釋電電流的影響；

b 磁場對極化的影響；

【總結】

因此，鈣鈦礦型Mn₂O₃代表了采用復雜扭曲鈣鈦礦結構的二元鈣鈦礦氧化物的獨特例子，并表現出自旋誘導的多鐵性和磁電耦合效應。在這種材料中，A位被過渡金屬陽離子完全占據，因此，A位的作用被大大放大，導致了比傳統ABO₃鈣鈦礦更為復雜的磁結構和更豐富的磁電性質。八面體傾斜和變形、Jahn - Teller變形、電荷/軌道有序和多重磁相互作用的結合，為新材料的設計和應用以及對具有挑戰性的基本物理現象的研究開辟了一個有價值的新天地。雖然亞穩相鈣鈦礦型Mn₂O₃的體材料是在高溫高壓HP - HT條件下合成的，但是，這種亞穩相相也許可以通過薄膜中的外延應變來穩定。在常規環境壓力下制備這種二元鈣鈦礦將是未來一個有吸引力的課題。

文獻鏈接：Spin-induced multiferroicity in the binary perovskite manganite Mn₂O₃, (Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05296-0)

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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