注：该文为新型磁性铁电多重铁性功能材料研讨会会议纪要，原文最早在单位主页http://web.tongji.edu.cn/~fmrl/multiferroics_forum_summary.htm公开。

    磁性铁电多重铁性材料的研究是目前凝聚态物理和材料科学中的一个宽广的新领域，蕴含着丰富的物理与材料科学研究课题、以及可预期的广阔应用前景。2007年11月23日，来自同济大学、中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所、上海大学、复旦大学、华东师范大学、中国人民大学、南京大学、中国科学院北京物理所、英国剑桥大学的29名学者和40名研究生在同济大学对单相磁性铁电材料进行了为期一天的专题研讨。通过此次研讨会，加强了上海地区该领域学者之间及其与国内外该领域学者之间的交流与合作，通过集成创新，将促进上海地区和我国学者在该领域的基础研究、新材料研发、技术应用等方面取得新突破。

    磁性和电子功能材料的发展已渗透于现代技术的各个领域中，其中压电和磁致伸缩等多重铁性(multiferroic)材料已获得广泛应用，他们的电（磁）极化的改变伴随着形状的改变，反之亦然，常用于声波探测器的声波-电信号转换以及驱动器的电脉冲-驱动转换。而铁磁-铁电多重铁性材料可以得到诸如由电场引起磁极化变化或者由磁场引起电极化变化的一级磁电效应，从而可以期望产生全然一新的元器件，形成新的产业经济，譬如电场控制磁数据存储，磁电换能器等，然而，室温条件下具有强磁电效应的铁磁-铁电多重铁性单相材料体系依然是目前国内外基础科学研究的一大挑战，极大地限制了磁电材料与器件的应用进程。

    此次研讨会重点对钙钛矿结构过渡族金属氧化物强关联体系中的自旋序、电荷序、轨道序和晶格结构序等的物理行为及其相互耦合作用，从磁性、铁电和磁电等多学科角度进行了研讨，并对多重铁性材料的科学内涵和应用前景做了深入讨论。会议共进行了9个主题讨论报告和轻松自由的圆桌讨论。

一、磁结构与磁性质

    魏建华教授评述了过渡族金属氧化物中自旋、轨道与电荷自由度之间的交叉耦合与交叉控制，指出多重铁性体是研究交叉耦合与交叉控制的理想体系，揭示了轨道序在其中所起的关键作用。以Pr0.7Ca0.3MnO3为例，讨论了相变临界位置控制技术，实现磁场、电场以及激光对电阻开关变化行为的控制。以DyMnO3为例，讨论了磁场对磁电耦合行为的控制。通过轨道极化子的讨论，揭示了在双交换作用理论之外存在铁磁绝缘体。唐政教授对稀磁铁磁氧化物中的载流子局域诱导磁性极化子进行了理论分析，揭示了寻找铁磁材料的多种技术途径。曹世勋教授讨论了钙钛矿结构过渡金属氧化物的磁结构和自旋极化输运性质，重点讨论了磁结构与输运性质关联的实验研究。通过这些讨论，认为在磁电阻与巨磁电阻性质研究之外，对铁磁绝缘体的理论和实验研究及其材料开发是一个重要的研究方向，是对双交换作用理论的突破和发展，同时对高绝缘单相磁电材料的研究具有重要理论意义。

二、铁电与压电

    铁电体同时又是铁弹体，具有压电和电致伸缩交叉耦合效应，是已知的广泛技术应用的一种多重铁性体。现代产业政策和工程技术发展对无铅压电材料、无铅PTC材料和高温高性能压电材料提出了迫切需求。王旭升教授重点评述了无铅压电陶瓷的研究现状，钡基高性能铁电、压电材料及其多功能化开发方面的工作。程晋荣教授重点介绍了具有MPB特征的高居里温度压电材料的研究状况和目前已知的具有MPB特征的居里温度最高的钛酸铅-铁酸铋压电陶瓷的改性，获得了较高的室温绝缘性质，使该体系向实际应用推进了一大步；并讨论了BiFeO3和MPB附近固溶体系的室温多重铁性行为。江安全教授从现有铁电薄膜理论、器件集成技术对铁电薄膜性质影响等方面讨论了制约铁电薄膜非挥发存储器研制的理论问题，并大胆提出了突破铁电存储器发展的理论和技术困难的可能途径。

三、磁电多重铁性

    罗豪甦研究员通过对比现有微弱磁场探测技术，论证了磁电效应在微弱磁场探测应用方面具有高灵敏度等技术优势，针对国防安全所需要的探测对象，指出了发展磁电多重铁性材料的一些关键基础问题。范红金博士向会议介绍了J. F. Scott教授在BiFeO3研究方面的一些结果和其对该领域的一些评论，介绍了他们在纳米结构铁电材料中的环形畴（toroidal domain）结构及其反转动力学方面的研究进展。于剑教授评述了高温单相磁电多重铁性材料研究中的几个关键问题：以BiFeO3为例讨论了材料制备科学的重要性，由于Bi2O3-Fe2O3系统特殊的动力学与热力学行为，造成制备钙钛矿结构BiFeO3高阻纯相样品的烧结窗口很窄，是目前实验研究结果五花八门令人困惑的来源；重点评述了钙钛矿结构氧化物的铁电失稳和磁结构与相变现有理论的缺陷，及其在铁电-铁磁理论和共存机制方面的一些理论探索与实践；评述了可能的磁-电序参量耦合机制与形式；并提出了进一步研究的一些建议。

四、圆桌讨论

    与会学者经过讨论，对单相磁电材料至今还没能应用和形成产业所遇到的最大障碍---现有已知的大部分单相材料的磁有序温度较低（<150K）或在很低的温度下才具有磁电效应，高温BiFeO3体系存在的问题有了进一步的认识，对新型磁、电序参量的共存和耦合机制的理论探索是设计开发新型高温单相磁电多重铁性材料的必由之路有了进一步的共识，会议认为，材料理论突破以及高温磁电材料的获得将奠定下一代元器件及其相关产业发展的物质基础。同时，磁电材料理论的发展与现有的磁性、铁电和电介质材料理论发展是相辅相成有机融合在一起的，相互促进。比如，对铁电有序和磁有序相变居里温度的诸如元素性质、晶体结构和电子结构等控制因素的研究，对探索开发航空航天所需的高温压电探测器，高温压电电机，功率器件等所需高温压电材料，对产业政策所鼓励的无铅压电材料、无铅PTC热敏材料等新型铁电材料设计开发具有重要的理论和实践指导意义。

    关于材料制备科学，与会专家指出在关注传统的高压合成技术制备亚稳态材料的同时，要大力发展薄膜制备技术、超晶格技术、水热合成技术、组合材料技术等新型亚稳态材料制备科学与技术，拓展单相高温磁电、压电、磁电阻、铁磁绝缘体等材料体系研究，建立高新技术发展和产业化应用的材料基础。

    关于材料测试技术与系统装备，是技术创新与材料物理研究的保障。比如对低绝缘性铁电、压电和磁电材料，通过发展低阻样品测试技术，可以更好更快地认识材料的本征物理性质，促进材料理论的发展，指导高绝缘样品制备技术的探索。同时，材料测试技术的研究对发展具有自主知识产权的我国装备工业具有重要促进意义。

    关于磁滞迴线和电滞迴线，与会学者初步达成共识，它们并不是认定铁电性和铁磁性的充分条件，需要和结构相变等研究工作紧密结合进行认定。关于电介质材料的绝缘性问题，需要与磁结构、禁带宽度、介电常数和材料尺度等因素统一考虑进行研究。这些问题是目前的研究工作缺少系统性的一些表现。

    会议经讨论认为，新型磁性铁电材料是一类重要的功能材料，是兼顾提升现有技术应用和引领未来产业发展的一类非常重要的功能材料，需要在探索新机理，寻求新方法，研发新材料，发现新功能，拓展新应用五个方面加强联合与协作攻关。

（同济大学功能材料研究所、科技处 于剑撰写）

 

出席会议的学者：

姚熹院士 同济大学 西安交通大学

褚君浩院士 中科院上海技术物理研究所 华东师范大学

王永龄研究员 中科院上海硅酸盐研究所

罗豪甦研究员 中科院上海硅酸盐研究所

程晋荣教授 上海大学

曹世勋教授 上海大学

江安全教授 复旦大学

唐政教授 华东师范大学

翟继卫教授 同济大学

王旭升教授 同济大学

沈军教授 同济大学

于剑教授 同济大学

范红金博士 英国剑桥大学

魏建华教授 中国人民大学

卢仲毅教授 中国人民大学

朱劲松教授 南京大学

殷江教授 南京大学

杨槐馨副研究员 中科院物理所

李效民研究员 中科院上海硅酸盐研究所

董显林研究员 中科院上海硅酸盐研究所

蔡传兵教授 上海大学

俞圣雯副教授 上海大学

孙景兰研究员 中科院上海技术物理研究所

孟祥建副研究员 中科院上海技术物理研究所

丁爱丽研究员 中科院上海硅酸盐研究所

李国荣研究员 中科院上海硅酸盐研究所

曾华荣副研究员 中科院上海硅酸盐研究所

杨同青教授 同济大学

沈波副教授 同济大学

李艳霞副教授 同济大学

潘永东副教授 同济大学

周健博士 南京大学

    参加会议还有来自同济大学、上海大学、上海硅酸盐研究所、南京大学和上海技术物理研究所的研究生40名。

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