張偉雄教授研究團(tuán)隊(duì)取得磁電耦合材料新進(jìn)展
在單一材料中實(shí)現(xiàn)磁電耦合效應(yīng)，進(jìn)而利用磁場與電場交叉調(diào)控材料的電性和磁性，是面向未來器件高度集成化需求的一個重要研究方向。其中，磁介電材料作為磁電耦合材料的一種，其介電性質(zhì)能被磁場調(diào)控，可用于電容共振器、信息存儲及開關(guān)等應(yīng)用領(lǐng)域。該類材料的首次實(shí)驗(yàn)報道始于1960年在Cr2O3單晶中發(fā)現(xiàn)非常弱的磁介電耦合效應(yīng)，但隨后進(jìn)展非常緩慢；直至2003年在TbMnO3單晶中觀察到強(qiáng)磁介電耦合效應(yīng)，重新激發(fā)了人們在更多的材料體系中尋找磁介電耦合效應(yīng)的興趣。近十年來，除了在無機(jī)氧化物體系之外，尋找磁介電材料的興趣逐漸擴(kuò)展到有機(jī)–無機(jī)雜化的分子材料體系。相比于無機(jī)氧化物，它們有更加豐富多變的結(jié)構(gòu)基元、更易于進(jìn)行結(jié)構(gòu)微調(diào)并可在常溫常壓下進(jìn)行溶液化學(xué)合成。當(dāng)前的研究多數(shù)集中于具有三維磁有序特征的金屬甲酸框架化合物上，但是，目前僅在極個別化合物中才明確觀察到很弱的磁介電耦合效應(yīng)。因此，非常有必要在更多樣的分子磁體中探索磁介電耦合效應(yīng)，以尋找性能更優(yōu)的分子基磁介電材料。
近年來，張偉雄教授研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注具有準(zhǔn)二維磁有序特征的層狀鈣鈦礦磁體，并發(fā)現(xiàn)了一例可以在降溫過程中依次發(fā)生鐵彈、鐵電和鐵磁相變的層狀鈣鈦礦化合物（J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 8704）；該化合物還表現(xiàn)出與結(jié)構(gòu)相變伴生的磁性和介電雙穩(wěn)態(tài)共存現(xiàn)象，暗示著其無機(jī)層的磁有序與有機(jī)層的偶極排列有望通過氫鍵作用相互關(guān)聯(lián)?；谶@些前期工作，研究團(tuán)隊(duì)針對性地選擇了多例層狀鈣鈦礦磁體，制備它們的大尺寸高質(zhì)量單晶樣品，進(jìn)而在這些化合物中探索可能的磁介電耦合效應(yīng)。
圖1 在兩例層狀鈣鈦礦磁體中觀察到磁介電耦合效應(yīng)
近日，張偉雄教授研究團(tuán)隊(duì)在兩例層狀鈣鈦礦磁體[C6H5CH2CH2NH3]2[MCl4] (M = Mn2+, Cu2+)的單晶樣品中均明確觀察到磁介電耦合效應(yīng)。其中，Mn化合物在低于磁有序溫度（44.3 K）即可表現(xiàn)磁介電耦合效應(yīng)，并與場致自旋翻轉(zhuǎn)同步發(fā)生（磁場~34 kOe）；Cu化合物在9.5 K以下的多鐵相中表現(xiàn)出可由低場（1 kOe）控制的磁介電耦合效應(yīng)。它們的介電常數(shù)與磁化強(qiáng)度在改變磁場時可以同步變化，并且該現(xiàn)象在反復(fù)切換磁場十幾次后仍然保持高度重現(xiàn)性。這些結(jié)果充分表明，雖然這兩個化合物具有不同的磁有序結(jié)構(gòu)，但是均存在由場致自旋重取向產(chǎn)生的磁介電耦合效應(yīng)。鑒于層狀鈣鈦礦化合物數(shù)目眾多，這個發(fā)現(xiàn)為尋找分子基磁介電材料打開了一個新寶庫。
這一成果近期發(fā)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. 黃波博士為論文的第一作者，張偉雄教授為通訊作者。
該工作得到了中山大學(xué)陳小明教授和廣西師范大學(xué)曾明華教授的大力支持，以及國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/sc/c8sc02917b#!divAbstract
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