本义上铁性有序包括铁电性、铁磁性和铁弹性。拓展开来多铁性泛指各种磁有序(如铁磁、反铁磁、亚铁磁、螺旋磁有序等)与铁电性或反铁电性、铁弹性、铁矩性等其他有序性的共存现象。多铁性涉及电荷、自旋、轨道和声子等多种微观自由度的关联、耦合效应,是磁学与铁电/介电物理学的交叉研究领域,是凝聚态物理学中一个全新的内涵丰富的分支研究方向。
1970年,会津启次郎[注]根据铁电、铁磁、铁弹三种性质有一系列的相似点将其归结为一类,提出了铁性材料的概念。1994年,瑞士的H.施密特[注]明确提出了多铁性和多铁性体的概念。2003~2004年,在BiFeO3薄膜中发现了室温多铁性,在稀土锰氧化物TbMnO3和TbMn2O5中发现了磁致多铁性和强磁电耦合效应,从而激发了对多铁性的关注。
多铁性材料按照铁电极化来源的不同可被分为不同的种类。其中由磁有序产生铁电性的材料被统称为第Ⅱ类多铁性材料,其余的被称为第Ⅰ类多铁性材料。在第Ⅰ类多铁性材料中,由于磁有序和铁电有序来源于不同的离子,其磁电耦合效应往往较弱。第Ⅱ类多铁性材料由于磁有序和铁电有序密切关联,有望表现出较强的磁电耦合效应。非共线磁有序产生的铁电性通常可以通过贾洛申斯基-守谷(DM)相互作用或者自旋流模型来解释;而在一些特定的共线排列的磁有序结构中(如↑↑↓↓),可以通过交换收缩机制而诱导出宏观电极化。现有大多数已知的单相多铁性材料的磁电耦合效应都比较微弱,并且往往发生在低温区,难以得到实际应用。一些非共线螺旋磁结构的六角铁氧体被发现具有大的磁电耦合效应,并且其磁电耦合效应可以一直保持到室温。
除了上述单相材料所具有的本征多铁性,还可以利用人工方法将铁磁和铁电两种材料复合在一起,形成复合多铁性材料。复合多铁性材料通常是由具有大磁致伸缩系数的磁性材料(如Terfenol-D、Metglas、Ni、FeGa等)和具有大压电效应的铁电材料(如PMN-PT、PZT等)复合而成,通过两相界面处的应力实现间接的磁电耦合效应。在一些铁磁/铁电薄膜异质结构中,界面处的电荷积累或者交换偏置效应,也可以导致界面附近的磁电耦合。
基于复合多铁性材料室温下大的磁电耦合效应,已经开发出多种应用功能器件,例如:①高精度磁电传感器。是磁电效应最为直接的应用。其最大的特点在于无须外加电源,即可探测磁化状态,进而输出相应的电信号,避免了传统磁电传感器额外通入电流带来的热效应。除降低功耗外,基于多铁体的磁电传感器具有灵敏度高、成本低、质量轻、体积小、探测范围广等优势,应用前景囊括能量采集、磁场检测、玩具制造、生命医药、航海航空等多种民用、军用领域。②能量收集转换器。集铁电相的压电效应与铁磁相的磁致伸缩效应于一体的多铁性复合材料,可同时对机械振动和磁场产生响应,应用于能量收集转换器件具有集成化的优势。基于磁电耦合作用的能量转换器,可将周围环境中微弱的机械振动和杂散的电磁场转化为可用的电能,对缓解日益严峻的能源问题具有积极意义。利用多铁性实现能量收集转换的研究尚处于初级阶段,提高能量密度及磁-电能量转换效率是亟待解决的问题。③多态存储器。铁电极化与铁磁极化两种序参量的共存,为在多铁性磁电材料中实现四态存储,提高信息存储密度提供了可能。这些理论和实验进展为最终实现基于多铁性隧道结的高性能室温四态存储,推动多态存储器的实用化进程打下了坚实的基础。④多铁性内存。具有非易失性的铁电随机存储器与磁电阻随机存储器均取得了飞速的发展,多铁性内存这一新概念存储器件将两者结合。基于多重铁性的耦合作用,在多铁性内存中可以通过不同外界方式对存储单元分别进行读写操作。利用外界电压对信息记录层磁性材料的磁化方向进行调控,进而实现低能耗的数据写入,而信息的读取则可以简单通过测量磁性隧穿电阻的方式得以无破坏性的实现。这种“磁读电写”方式具有的非易失性、高速度和低功耗等特性,赋予了多铁性内存应用于计算机以及小型数字器件之中得天独厚的优势。⑤可调微波器件。多铁性材料体系中逆磁电效应的存在,不仅昭示着电场诱导磁性序参量变化的深刻物理内涵,在电可调微波器件的应用方面亦具有重要的技术价值。相比传统微波器件中利用外加磁场调节铁磁谐振峰的方式,基于铁电铁磁性耦合的电可调微波器件,通过静电场控制铁磁共振行为,避免了因焦耳热产生的能量损失,具有超低损耗、方便可控、低噪声、易集成等优点,潜在应用范围涵盖微波频段的滤波器、谐振器、移相器等。