固體所在鈣鈦礦結構RCrO3體系磁性及磁電效應方面獲進展

　　近期，固體所功能材料研究室尹利華等研究人員在鈣鈦礦結構Cr基氧化物的磁性及磁電效應等方面的研究獲得新進展，相關結果相繼發表在Applied Physics Letters (Appl. Phys. Lett. 111, 072402 (2017)； Appl. Phys. Lett. 110, 192904 (2017))等國際期刊上。

　　磁性是物質的一種基本屬性，磁性物質在信息存儲、磁制冷等現代科學技術和生產生活中具有廣泛應用。具有簡單鈣鈦礦結構的RCrO3（R=稀土元素）及其Fe摻雜體系不僅具有很強的磁電效應，而且還表現出較大的磁熱效應及溫度誘導的磁矩翻轉等現象，近年來已受到越來越多的關注。但是目前其微觀機理尚不明確，甚至該體系中觀察到的磁電效應是否為本征屬性仍然存在爭議。因此，對該體系的磁性及磁電效應進行系統研究具有重要的科學意義，有助于理解其微觀機理，探尋新型磁性功能材料及磁電材料。基于此，固體所研究人員對一系列Fe摻雜的RFe0.5Cr0.5O3 (R=Y, Sm, Nd, Dy, Gd等)多晶、RCrO3 (R=Gd, Tb, Dy, Er, Nd等)及其摻雜體系單晶的磁電效應進行了系統研究。

　　研究發現，Fe摻雜的RFe0.5Cr0.5O3 (R=Y, Sm, Nd, Dy, Gd等)體系，除了具有巨磁熱效應、溫度誘導的磁矩翻轉、只改變外加磁場大小而無需改變磁場方向的磁矩翻轉等現象外，在室溫以下還表現出兩個相繼發生的介電弛豫行為。分析表明，該體系中溫度誘導的磁矩翻轉現象不僅與R-Cr/Fe磁相互作用有關，還與Fe-Cr磁相互作用密切相關。而在低溫下發生的兩個介電弛豫則分別與電子在富Cr團簇及富Fe團簇內的跳躍有關，其中富Cr/Fe團簇是由體系中Fe/Cr無序引起的。相關工作相繼發表在Materials Research Bulletin (Mater. Res. Bull. 48, 4016 (2013))、Applied Physics Letters (Appl. Phys. Lett. 110, 192904 (2017))等上。

　　為了進一步深入研究RCrO3體系的磁電效應及溫度誘導的磁矩翻轉等現象的微觀機理，研究人員生長了RCrO3 (R=Gd, Tb, Dy, Er, Nd等)及其摻雜體系的單晶樣品。通過對其磁性和磁電效應等進行深入研究發現，該體系的磁學性能因稀土元素R的變化存在很大差異，但在低溫下都具有較強的本征磁電耦合效應。(1)GdCrO3單晶：在該單晶中不僅觀測到了兩個連續的溫度誘導的磁矩翻轉現象，還發現了溫度誘導的磁矩不連續跳躍的新現象。這些磁現象與GdCrO3單晶材料中Gd-Cr自旋相互作用有密切關聯。此外，在低溫下該單晶還表現出極大的磁熱效應，其數值高達~242 mJ cm-3 K-1，遠大于其它稀土合金(如，HoCoAl等)以及Gd基石榴石Gd3Ga5–xFexO12 等同溫區的磁熱材料。相關結果發表在Journal of Applied Physics (J. Appl. Phys. 117, 133901 (2015))上。(2)TbCrO3、ErCrO3及DyCrO3單晶：TbCrO3和ErCrO3單晶在低溫下都表現出磁場誘導的磁矩跳躍現象；ErCrO3單晶在低溫下還具有非常大的旋轉磁熱效應；而DyCrO3及ErCrO3單晶在低溫下表現出Cr離子及稀土離子的自旋重取向行為。這些現象都屬首次報道。相關結果發表在Journal of Materials Chemistry C (J. Mater. Chem. C 4, 11198 (2016))。

　　通過對RCrO3體系Cr位進行磁性元素替代，可以引入新的磁相互作用，進而改變其磁性基態并獲得一些新的磁、電等性質。基于該思路，科研人員生長出了Fe摻雜YCr1-xFexO3(x=0.12)單晶樣品，研究發現該樣品由于Fe/Cr之間的無序占位以及較強的Fe-Cr磁相互作用，使得其表現出不同于YCrO3和YFeO3母體樣品的磁場及溫度誘導的自旋重取向等磁行為。相關工作發表在Applied Physics Letters (Appl. Phys. Lett. 111, 072402 (2017))。

　　該工作得到國家自然科學基金，中國科學院前沿科學重點研究項目的資助。