传统烧结法制备单相多铁性BiFeO3陶瓷材料(6)
最近，YTokura［14，15］基于在螺旋自旋(SPiralsPin)结构的磁体中发现铁电性的实验结果，提出了量子学电磁体的概念。电子自旋的特殊排列形式可以引起铁电自发极化的出现，从而使得铁电有序和磁性有序(包括铁磁性，反铁磁性和亚铁磁性)可以共存于多铁材料之中研究小组通过第一性原理电子结构计算认为，铁电体区别于非铁电体之处在于p-d电荷杂化对原子位移的超敏感性，这就需要沿铁电畸变方向取向的d电子轨道必须是零占据的，而磁性需要d电子轨道必须是部分占据的，从而阐明了铁电磁体数目如此匾乏的物理机制。
大部分磁性钙钦矿是中心对称的立方或者正交结构，而钙钦矿结构的铁电体必须是非中心对称的。因此，要使铁电性和磁性能同时共存于一个单相材料中，必须有一个既能满足铁电性的晶体结构对称性条件，又能满足磁性的电子壳层结构条件的额外驱动力：近几年探索钙钦矿结构ABO3中A位大半径阳离子的6S2电子孤对诱发铁电畸变方面做了大量第一性原理计算工作，包括铁电磁体BiMnO3和BiFeO3，因为Mn3+和Fe3+分别具有3d3，3d4和3d5电子壳层构型，不同于常规钙钦矿氧化物铁电体中具有d0电子壳层结构的B位阳离子。所以它们的铁电性不能用经典理论解释，只能用Bi3+的6s和6P态共价键性质的轨道杂化来解释。电荷有序和轨道有序［16］等提出在电荷有序和轨道有序的钙钦矿结构锰氧化物中，存在一种介于位置中心和键中心之间的电荷有序态，由于磁有序，电荷有序和轨道有序之间的相互作用，这种有序态导致反演对称性破缺，从而有可能利用磁有序和电荷有序之间的祸合作用获得铁电性与铁磁性的共存。
从双交换相互作用框架出发，考虑到轨道简并，位置中心电荷有序(SCo)和键中心电荷有序(BCo)可以共存，这种共存状态是铁电性的，螺旋自旋和圆锥自旋排列：磁性材料中可以有很多种自旋排列形式，第一种情况，当相邻原子位置上的自旋相互倾斜时，水平方向的镜面对称性消失，沿垂直方向由于自旋超交换相互作用造成的电子波函数重叠以及自旋一轨道相互作用可以产生电极化。第二种情况，当自旋沿某一特定晶体学方向形成螺旋调制时，每一个最近邻的自旋对产生一个单向的电极化，从而产生一个宏观的电子学起源的电极化，电极化的方向完全由自旋沿螺旋传播轴顺时针或逆时针的旋转(自旋螺旋性spinhelicity)所决定。第三种情况，在圆锥自旋结构中，横向的螺旋组分和沿圆锥轴的均匀磁化组分共存，从而允许均匀的磁化和电极化同时发生。
由于多铁性材料同时具有两种或两种以上铁性有序，使得多铁性材料具有两种或多种有序结构的祸合，产生出单一的铁性材料所没有的性质，如：在磁场的作用下产生电极化或者诱导铁电相变；在电场作用下产生磁场或者诱导铁磁相变；而温度(铁磁相变点)附近产生介电常数的突变。基于多铁性材料特有的性质，可以设计出用快速电极化诱导快速磁极化反转的电写磁读的记忆材料，为下一代多功能电子学信息记录器件的设计提供了一个额外的自由度。
研究人员已经在铁电磁体中成功实现了外磁场对电极化矢量和外电场对磁化矢量的控制和反转，使得电场(磁场)控制的磁(铁电)数据存储成为可能。另外，利用这种材料居里点附近高的介电常数和磁导率，可制成高电容和大电感一体化的电子元器件，为减少高密度电路板上的器件数量，解决电感性器件和电容性器件的相互干扰问题提供了新的思路。虽然多铁性材料是巨大磁电效应和磁电相控制等诸多事例的源泉，但是现在还主要集中于基础研究而不是应用。主要的原因在于多铁性化合物的数量很少，在室温时表现出磁电行为的则更少。大部分单相材料的奈尔或居里温度较低，在很低的温度下才有磁电效应，磁电转换系数随着温度升高到室温而趋于零。