电子基础材料 4

磁电耦合效应磁电耦合效应的基本概念外加磁场可改变材料极化强度新型传感器

JMaterSci:MaterElectron.2023,

34,2041.电场能改变磁化强度实现磁-电相互调控非易失型存储器多物理场耦合的概念铁电、铁磁和铁弹等多种物理场相互作用，形成复杂多铁性体系。不同物理场相互影响，产生协同或制约效应，影响材料整体性能。铁电-铁磁-铁弹的相互作用具有丰富的物理现象和可调控的物理性质，可通过外场控制。材料性能随温度、压力等条件变化，展现多样性和可变性。多铁性材料的特性铁电材料极化现象铁电材料具有自发极化现象，极化方向可在外场作用下反转。极化强度与外场大小、温度等因素相关，展现非线性特性。铁电性定义与极化特性铁电性定义与极化特性极化特性应用极化特性可用于信息存储，通过极化方向变化存储数据。在传感器中，可将机械信号转换为电信号，实现信号检测。铁磁性基本概念自发磁化现象铁磁材料具有自发磁化现象，磁矩在无外场时会自发排列。自发磁化强度与温度、材料成分等因素相关，展现独特特性。磁畴结构铁磁材料内部存在磁畴结构，磁畴内磁矩方向一致。磁畴间存在畴壁，磁畴大小和形状影响材料磁性能。材料特性表现铁弹性材料具有良好的力学性能和可调控性。其弹性模量和硬度等性能会随温度、外力等因素变化。特性应用在微机电系统（MEMS）当中，可实现微小结构的精确控制。用于振动控制领域，通过材料变形实现吸收和释放能量。铁弹性材料特性铁弹性材料特性微机电系统应用在微机电系统中，铁弹材料用于制造微小执行器和传感器。可实现精确的微小位移和力的控制，提升系统性能。振动控制应用

在振动控制领域，铁弹性材料用于制造减震器和阻尼器。可有效吸收和耗散振动能量，提高结构稳定性。铁涡性材料特性铁性磁涡旋是一种新型的磁有序态，同多铁性系统有内在的联系。由于弹性形变对应铁弹性，磁矩对应铁磁性，铁电极化对应铁电性，于是人们相应地把磁涡旋矩对应的铁性称之为铁涡性。铁性磁涡旋可以是顺时针的或逆时针的，并可通过改变电场和磁场的特定组合来改变涡旋的方向。它们在环向磁场中存在滞后效应，即，它们在邻近区域有磁涡流，可以使其排成一列，这种磁有序态可以用于制造新型数据存储器件。多物理场耦合难题耦合机制复杂性

多铁性材料中不同物理场耦合机制复杂，涉及多种相互作用。不同物理场相互作用强度和方式难以精确调控，影响性能。有效耦合实现实现有效耦合需精确控制材料成分、结构和制备工艺。目前技术手段有限，难以完全实现理想耦合状态。多铁性材料制备方法多样，但存在工艺复杂、成本高等问题。不同制备方法对材料性能影响不同，需优化工艺流程。制备方法挑战材料稳定性差，性能易受环境因素影响，需提高稳定性。性能优化需平衡不同物理场性能，难以兼顾，需综合考虑。性能优化难题磁电耦合系数提升目前多铁材料磁电耦合系数较低，限制其应用范围。提高磁电耦合系数需深入研究耦合机制，优化材料结构。新材料探索需探索新型多铁性材料，提高性能和稳定性。新材料探索需结合理论计算和实验研究，加速研发进程。磁电耦合的来源原子层面机制

磁电耦合在原子层面涉及电子自旋、轨道和电荷等相互作用。不同相互作用机制在原子层面相互影响，决定宏观效应。宏观效应体现

宏观上表现为磁化强度和极化强度的变化，可实现磁电调控。宏观效应与原子层面机制紧密相关，需深入研究。自旋轨道耦合

自旋轨道耦合是电子自旋与轨道运动之间的相互作用。这种相互作用影响电子能级结构和运动特性。电子自旋轨道运动相互作用

自旋轨道耦合强度与材料结构和元素特性相关。强自旋轨道耦合可导致显著的物理现象和性能变化。耦合强度影响在磁电耦合中作用调控方法

可通过改变材料结构、引入杂质等方法调控自旋轨道耦合。调控自旋轨道耦合需精确控制材料制备工艺。

自旋轨道耦合在磁电耦合中起关键作用，

影响磁电响应。通过调控自旋轨道耦合，可实现更高效的磁电效应。

强自旋轨道耦合材料可用于开发高性能磁电耦合器件。这些材料在新型传感器、存储器等领域具有广阔应用前景。应用前景

重金属元素如铂、铱等具有强自旋轨道耦合。这些材料在磁电耦合中展现出优异的性能和应用潜力。典型材料特性耦合影响自旋晶格耦合可导致磁性相变和力学性能变化。耦合强度与材料温度、压力等因素相关。电子自旋与晶格振动相互作用自旋晶格耦合是电子自旋与晶格振动之间的相互作用。这种相互作用影响材料的磁性和力学性能。自旋晶格耦合自旋晶格耦合调控磁电性能

自旋晶格耦合可调控材料的磁电性能，影响磁电响应。通过调控自旋晶格耦合，可实现磁电性能的优化。实现途径

可通过改变温度、压力等实验条件调控自旋晶格耦合。调控自旋晶格耦合需精确控制实验条件。JournaloftheAmericanChemicalSociety.2025,147(2),1732-1739.自旋电荷耦合概念自旋电荷耦合是电子自旋与电荷之间的相互作用。这种相互作用会影响电子输运和磁性特性。电子自旋与电荷相互作用可通过改变材料结构、引入杂质等方法调控自旋电荷耦合。调控自旋电荷耦合需精确控制材料制备工艺。磁电响应贡献自旋电荷耦合强度与材料结构和电子浓度相关。强自旋电荷耦合可导致显著的物理现象和性能变化。耦合特性自旋电荷耦合在磁电耦合过程中起重要作用，影响磁电响应。通过调控自旋电荷耦合，可实现更高效的磁电效应。调控方法重要性与研究方向重要性

自旋耦合在磁电耦合效应研究中具有重要意义。深入研究自旋电荷耦合可推动磁电耦合材料的发展。研究方向

未来研究方向包括探索新型自旋耦合材料和调控方法。这些研究将为磁电耦合效应应用提供更广阔的空间。单相多铁材料多铁材料的定义与重要性多铁材料的定义多铁材料是指同时具有两种或两种以上铁性的材料，铁性包括铁电性、铁磁性、铁弹性等，这种材料在电场和磁场中均能表现出响应。这类材料在信息存储、传感器等领域具有重要应用前景，可实现电场控制磁性等多功能集成。两类多铁材料的划分第一类多铁材料

如果铁磁序和铁电序独立发生，则多铁性材料表示为第一类I型。第一类多铁性材料中，铁电性与铁磁性通常来源于不同的离子，典型的代表有BiFeO3、BiMnO3，由于磁性与铁电性的起源不同，所以这类材料中的磁电耦合并不强。第二类多铁材料

如果铁电和磁性跃迁共同出现，则多铁性材料为第二类II型。第二类多铁性材料中，铁电性与磁性的来源一致，铁电极化往往源于磁性离子特殊的磁结构导致的对称性的破缺，所以这类材料的磁电耦合效应较强，典型的材料有TbMnO3和Ca3CoMnO6。第一类多铁材料的多铁性来源机制典型例子如BiFeO3，Bi3+离子中的两个电子偏离Bi趋向于铁氧八面体，使晶体内部正负电荷中心偏离，产生了铁电极化孤对电子机制空间填充效应和几何约束会导致材料的结构不稳定，从而使某些离子发生位移，进而产生电偶极矩。几何机制价电子在离子周围的分布可能是不均匀且不对称的，这在晶体结构上可能会产生一个电偶极矩。电荷有序通常发生在一些具有混合离子价态的化合物中，由电荷有序产生铁电性。电荷有序机制第二类多铁材料的多铁性来源机制交换收缩机制是共线型自旋序产生铁电性的微观机制。交换收缩本质上指自旋晶格耦合作用。自旋流机制（KNB理论）从微观上解释了螺旋序的磁致多铁性，铁电极化的产生和阴阳离子净位移没有关系，而是完全由电子云的偏移导致的。自旋相关p-d杂化模型是当磁性离子的d轨道与阴离子的p轨道发生杂化的时候，自旋轨道耦合会引起扰动，最终导致体系产生铁电极化。BiFeO3晶体结构空间群与晶格参数BiFeO₃（BFO）具有R3c空间群，其晶格参数a和c分别为0.55nm和1.39nm，这种晶体结构决定了其独特的物理性质。这种结构使得BFO在铁电性和铁磁性方面表现出优异的性能，为多铁材料的研究提供了重要的基础。BFO晶体结构的对称性较低，这种低对称性有利于铁电极化和磁矩的产生，同时也有利于磁电耦合效应的实现。例如，在BFO薄膜中，通过调控晶体结构的对称性，可以实现铁电极化和磁矩的增强。晶体结构的对称性晶体结构的稳定性BFO晶体结构具有较高的稳定性，这种稳定性使得BFO在较宽的温度范围内保持其多铁性，有利于实际应用。例如，在一些高温应用中，BFO的稳定性使其成为理想的多铁材料候选。块体薄膜Science.

2003,

299,1719-1722.BiFeO3的多铁性BFO具有较高的铁电极化强度，其自发极化强度可达100μC/cm2，这种高极化强度使其在信息存储等领域具有重要应用。例如，在铁电存储器中，BFO的高极化强度可以实现高密度的信息存储。铁电性BFO具有本征的G型反铁磁序，但由于铁电性的存在，DM相互作用产生了小的自旋倾斜，形成螺旋调制，在纳米结构中由于空间限制，可以诱导出弱的磁化。磁有序性BFO的磁电耦合效应较强，通过电场作用调控其铁电极化方向，利用反铁磁序与极化方向的相关性，从而可以间接调控反铁磁奈尔矢量等磁学参量，这种耦合效应有望实现更高效的电写磁过程，应用于信息存储与逻辑计算等低功耗自旋电子器件。磁电耦合效应Science.

2003,

299,1719-1722.BiFeO3与铁磁薄膜结合研究背景与意义：BFO与铁磁薄膜结合的研究背景是实现多功能集成，这种结合可以实现电场控制磁性等功能，为新型器件的设计提供了思路。例如，在磁电存储器中，BFO与铁磁薄膜的结合可以实现高密度、低功耗的信息存储。初步研究成果：在BFO与铁磁薄膜结合的研究中，已经取得了一些初步成果，例如实现了磁电耦合效应的增强，以及磁性薄膜的电场调控。例如，在BFO/CoFe₂O₄异质结中，通过电场调控实现了磁性薄膜的磁矩翻转。研究展望：未来，BFO与铁磁薄膜结合的研究将朝着高性能、多功能的方向发展，有望实现更多的新型器件。例如，在磁电传感器和磁电存储器等领域，BFO与铁磁薄膜的结合将发挥重要作用。ACSAppl.NanoMater.2023,6,4141–4150.TbMnO3TbMnO3具有正交钙钛矿结构，其空间群为Pbnm，这种结构使得Tb离子和Mn离子的磁矩有序排列，形成多铁性。在41K以下形成非共面螺旋磁序。铁电极化强度约100μC/m²。结构特点主要作为磁电耦合机制的研究模型，用于开发磁电存储器原型。其螺旋自旋结构也可用于自旋波器件设计，但需通过元素替代探索高温化路径。应用前景典型Ⅱ型多铁体，铁电性完全由磁有序驱动，强磁电耦合，通过电场可以调控其磁性，通过磁场也可以调控其电性。在磁电存储器原型器件、自旋波器件等领域有着一定的应用前景。多铁性特点Science.2015,348,1112-1115.REMnO3轻稀土稳定的六方钙钛矿结构，空间群P6₃cm，层状堆叠是其核心特征：Mn³⁺位于MnO₅三角双锥中，稀土离子层与Mn-O层交替排列。这种结构导致强二维特性与高绝缘性。结构特点性能表现室温即存在自发极化（~6μC/m²），源于稀土离子位移与MnO₅层倾斜的协同作用。Mn³⁺自旋在70-80K形成ab面内120°反铁磁序，稀土次晶格在更低温度（<5K）有序。多铁性特点属于Ⅰ型多铁体，但磁电耦合显著。此外，磁场可诱导磁相变并改变介电常数。六角相的高绝缘性、高热稳定性及室温铁电性，使其成为多态存储器的理想候选。其显著的磁电耦合效应也适用于磁场传感器，且与硅基工艺兼容性优于传统铁电体。JournalofRareEarths.2024,42,2078-2087.REFeO3正交钙钛矿结构，空间群Pbnm，铁氧八面体通过顶角连接，但存在显著倾斜。稀土离子占据十二面体间隙，其大磁矩对低温磁性有关键影响。晶胞参数随稀土离子半径减小而收缩。

结构特点Fe³⁺子晶格在620-700K发生G型反铁磁有序，Dzyaloshinskii-Moriya作用诱导弱铁磁性。本征铁电性微弱，但DyFeO₃在4K以下因Dy³⁺自旋有序诱发极化（~0.1μC/m²）性能表现多铁性源于稀土-铁磁耦合，极化强度虽低，但磁控铁电响应速度达皮秒级，且存在自旋重取向相变。其超快磁电动力学特性适用于太赫兹调制器，高温磁性稳定使其成为自旋电子学衬底材料，也可用于磁光开关。多铁性特点YFeO3性能表现结构特点多铁性特点YFeO3通过应变、或掺杂实现工程化多铁性，磁电耦合系数较高。纯相是优异的磁光隔离器材料。掺杂体系有望实现室温多铁器件，外延薄膜可作自旋电子学衬底。近期研究还发现其光催化活性，拓展至能源领域。与REFeO₃同属正交钙钛矿，空间群Pbnm，但因Y³⁺离子半径小，导致更高晶格畸变，这种畸变增强单轴磁各向异性。奈尔温度高达640K，室温下呈弱铁磁性，剩磁0.12T，磁各向异性场>10T。本征极化可忽略，但掺杂工程可诱导强铁电性。磁电复合材料铁磁/铁电型磁电复合材料原理：应变介导的磁电耦合效应应变介导的磁电耦合机理介绍涉及到磁各向异性、压电效应以及磁致伸缩效应。正磁致伸缩效应：材料在磁场中磁化时，其长度或体积发生微小变形（通常为ppm级）。例如，Terfenol-D合金在磁场中可伸长约0.1%。逆磁致伸缩效应：材料受机械应力时，其磁化强度或磁导率发生变化。例如，挤压磁致伸缩材料可改变其磁化状态。磁致伸缩效应压电效应正压电效应：材料受外力（如压力、振动）作用时，内部电荷分布失衡，表面产生电压。例如：按压打火机的压电陶瓷产生电火花。逆压电效应：材料在电场作用下发生机械变形（伸长或缩短）。例如：超声波换能器将电信号转换为机械振动。应变介导磁电耦合效应：铁电/铁磁复合材料在磁场作用下，磁致伸缩产生的形变传导到铁电相时可以实现对电有序的调控。反之，对铁电相材料施加电场时产生的压电应变可以传递到铁磁相材料，有效调节磁各向异性等磁学性能。磁电耦合效应铁磁/铁电型磁电复合材料原理：应变介导的磁电耦合应变介导的磁电耦合是利用铁电体在电场的作用下产生应变，而后应变通过铁电/铁磁界面传递到铁磁材料中，通过逆磁致伸缩效应实现磁性调控。外磁场可改变材料极化强度电场能改变材料磁化强度复合材料的磁电耦合效应原理图铁磁/铁电型磁电复合材料分类块体磁电复合材料准2-2型磁电复合薄膜薄膜磁电复合材料陶瓷磁电复合材料磁性合金基复合材料聚合物基复合材料0-3型颗粒复合薄膜1-3型柱状复合薄膜

2-2型层状复合薄膜材料分类铁磁/铁电型磁电复合材料陶瓷磁电复合材料磁电复合陶瓷一般分为两种类型，即0-3型颗粒状磁电复合陶瓷和2-2型层状磁电复合陶瓷。0-3型颗粒状磁电复合陶瓷一般是由铁氧体颗粒通过共烧结填充到铁电体基体中形成。2-2型层状磁电复合陶瓷是由铁氧体磁性层和铁电层堆叠形成的。0-3型颗粒状磁电复合陶瓷2-2型层状磁电复合陶瓷块体磁电复合材料铁磁/铁电型磁电复合材料磁性合金基复合材料基于Terfenol-D的磁电复合材料并不适合在低磁场下使用，因为其初始磁导率相对较低，饱和场较高。因此，研究者们选择了一些软磁合金，如Ni（Mn-Ga）、Ni和Metglas，它们可以显著改善复合材料在低磁场下的性能。Metglas是一种利用快速凝固工艺生产的非晶合金带。将具有高初始磁导率和高磁弹耦合系数的Metglas与PZT纤维驱动层结合而得到的复合材料，在低频时磁电耦合系数可达10V/cm·Oe，在共振频率时可达数百V/cm·Oe，远远大于陶瓷基磁电复合材料。块体磁电复合材料聚合物基复合材料与陶瓷基磁电复合材料和磁性合金基磁电复合材料相比，聚合物基复合材料具有易于制造、形状多样和机械性能优异等优点。一方面，在以合金为基体的层压复合材料中，导电金属合金的高频涡流损耗相对较大，而使用绝缘聚合物作为基体可以减少这种损耗。另一方面，作为复合材料基体的聚合物还可以起到粘合剂的作用。例如，以PVDF为基体，通过热压制备了0-3和2-2型高分子基磁电复合材料。然后，以树脂为基体，通过简单的切割室温固化法制备了具有更好磁电性能的1-3型三相磁电复合材料。铁磁/铁电型磁电复合材料薄膜磁电复合材料薄膜磁性复合材料是由铁磁/铁电薄膜通过原子级精准堆叠形成的超薄层状结构，相比块状材料，它更轻薄、可灵活调控界面耦合，能实现纳米级结构设计。薄膜磁性复合材料可分为0-3型颗粒复合薄膜、1-3型柱状复合薄膜和2-2型层状复合薄膜。0-3型颗粒复合薄膜

1-3型柱状复合薄膜2-2型层状复合薄膜JournalofMaterialsChemistryC,2021,9(17):5594-5614.准2-2型磁电复合材料准2-2型复合薄膜与2-2型复合薄膜的区别在于基底。具体来说，对于2-2型层压复合薄膜，各种多铁薄膜通常沉积在块体基底上，如硅和二氧化硅。对于准2-2型复合薄膜，将一种铁薄膜直接沉积在另一种铁体基底上。例如，铁磁薄膜生长在铁电体基底上。相关研究主要集中在铁磁体获得的多铁异质结构，如铁磁钙钛矿锰氧化物和铁氧体以及室温下具有强大铁磁性的金属（或合金）薄膜，生长在(1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN-PT)单晶衬底上。该复合薄膜具有结构简单、制备简单、消除铁电层泄漏电流、界面应变耦合强、界面应变传递均匀、反复可调、精确控制晶格应变等优点，是提高磁电耦合的有效方法之一。准2-2型磁电复合材料应变介导的磁电耦合机理铁磁/铁电型磁电复合材料作用机理：电场诱导极化电荷调控界面磁性

右图为铁磁/电解质磁电复合结构中电场调控电荷分布变化的原理示意图。其基本结构是由两个导电电极组成的传统电容器，两个电极之间由可极化的栅极材料隔开。为了研究磁电效应，两个电极中至少有一个是磁性材料（通常称为工作电极），而栅极材料为电解质，可以是离子液体或离子胶。在电极之间施加外部电压ΔV会诱导电荷载流子在界面上聚集，这一过程被称为静电掺杂，通过改变铁磁体中电子（或空穴）的态密度及费米能级等电学参量，因此不仅会影响其电子输运特性，还可以实现磁性能的有效调控。铁磁/电解质型磁电复合材料电压信号调控的不同电解质电荷载流子掺杂原理图铁磁/电解质型磁电复合结构，其中电解质代表离子液体或离子胶铁磁/离子液体：固液结构铁磁/离子胶：全固态结构ACSAppliedMaterials&Interfaces,2019,11(24):21727-21733.

AdvancedMaterials,2018,12(30):e1801639.铁磁/电解质型磁电复合材料最新研究进展：离子插入介导离子液体门控的调控方式强调双电层中的静电掺杂效应，没有伴随任何化学反应的发生。近年来，在单一材料中利用门控离子掺杂导致结构相变的研究受到广泛关注。研究最多的为氢离子和氧离子。这种方式的调控原理是在门电压作用下，水电解产生的氢离子和氧离子插入或脱出氧化物，从而产生新相，从而实现磁性能及其他性能的调控。三种相的磁性和导电性截然不同：HSrCoO2.5是一种弱铁磁性绝缘体，SrCoO3−δ是一种铁磁性金属，SrCoO2.5是一种反铁磁性绝缘体。通过电场作用下材料在三相间的切换，可以实现磁学、电学及光学等多种性质的显著可逆调控。磁电耦合效应功能器件磁电功能器件基于磁电复合材料的磁电耦合效应可以通过电场调控磁各向异性等方式显著降低器件中电调磁化翻转过程的关键电流密度，降低器件功耗，在开发新型低功耗电子信息器件方面展现出巨大潜力。这里介绍几种新型磁电功能器件，包括磁电随机存储器，电调谐微波器件、磁传感器以及磁电天线，如表1所列。磁电耦合形式具体原理磁电器件正磁电耦合效应通过对磁致伸缩材料施加磁场信号产生的应力对电极化进行调控磁场传感器、磁电天线逆磁电耦合效应通过对压电材料施加电场信号产生的应力对磁各向异性、磁相变温度、磁矩、磁自旋极化、磁交换偏置场、铁磁共振频率、磁阻和磁拓扑结构等多种参量的调控磁电随机存储器、电调微波功能器件表1不同磁电器件分类基于隧穿磁阻效应的磁随机存储器很难在高存储容量和热稳定性之间取得平衡。多铁异质结的电压控制可以显著解决这一问题：利用电场作为写入时的辅助手段，在需要写入的单元结构通过施加电场降低其磁各向异性能，实现低电流的信息写入，撤掉电场后，存储单元恢复其高磁各向异性状态，从而保证了写入信息的稳定性。磁电随机存储图1多铁磁电存储器（MERAM）示意图NatureMaterials,2008,7(6):425-426.磁电随机存储磁电随机存储器是基于铁电层与铁磁层的磁电耦合效应，通过施加电场调控铁磁层磁化方向，使其呈现不同电阻状态（如高/低电阻）以存储二进制信息，图2中滞回曲线显示其电阻变化与电压的对应关系，体现非易失性存储特性。图2几种电场调控磁阻器件的设计原理图(a)STT-MRAM;(b)GMR或TMR型MeRAM;(c)AMR型MeRAM;(d)基于Ni-PMN-PT异质结构的AMR型MeRAM中电阻率变化的滞回曲线NatureCommunications,2011,2:533.电调谐微波器件电调谐微波器件的核心原理是利用磁电耦合效应，通过电场精准调控磁性材料的电磁特性（如磁导率、铁磁共振频率）。具体来说，给器件中的铁电材料施加电压时，其因“逆压电效应”产生应变或极化变化，这种变化传递给与之复合的铁磁材料，进而改变后者的磁各向异性或共振特性，实现对微波信号（如频率、相位）的动态调节。图3HYG谐振器在室温测量结果NatureElectronics,2025,8(3):267-275.电调谐微波器件可调谐滤波器是典型的微波信号处理器，广泛应用于微波元件和雷达中以消除无用信号和噪声，对小尺寸、低插损器件的需求显著。图4为Yang等设计的YIG/PZN-PT异质结构可调带通滤波器，采用T形微带结构实现低插损（S波段0.98−1.64dB），兼具磁场（190−840MHz，调谐率超50%）和电场（200MHz）双调谐能力。图4(a)一种可调带通滤波器的结构示意图;(b)带通滤波器的中心频率随电场和磁场的变化2011IEEEMTT-SInternationalMicrowaveSymposiumBaltimore,USA,June5–10,2011p1.磁电式磁场传感器磁电式磁场传感器利用磁电复合材料的“磁电耦合效应”：当外界磁场变化时，磁性材料因磁致伸缩产生微小形变，这种形变通过界面传递给压电材料，压电材料因压电效应将机械形变转化为电信号（如电压变化），通过检测电信号即可反推磁场的强弱和变化，实现对磁场的高灵敏度探测。Scient