张碧辉, 刘小强, 陈湘明

无机材料学报 2025, 40 (6): 587-608. DOI:10.15541/jim20240521

摘要（188）

HTML （4）

PDF（pc）（13228KB）（64）

杂化非常规铁电性(Hybrid Improper Ferroelectricity, HIF)指的是在含钙钛矿结构单元的化合物中, 通过阴离子八面体面内旋转和面外倾侧耦合而产生的二阶铁电序。HIF有望在强磁电耦合多铁性材料中获得重要应用, 并极大地拓展铁电体物理学的内涵和外延。本文总结了Ruddlesden-Popper(R-P)结构HIF的实验研究进展, 建立了双层R-P结构铁电体的居里温度(T_C)和许容因子(τ)之间的线性关系, 并阐述其HIF物理起源。基于HIF的内禀电控磁性, 在双层R-P铁氧体中观察到室温极性相和弱铁磁相共存, 这一发现具有重要的科学意义。此外, 在A位离子有序三层R-P氧化物中报道的铁电性显著拓宽了HIF的研究广度和深度。尽管R-P结构的HIF的研究已取得显著进展, 但在新材料体系和单相多铁性材料探索方面仍需进一步努力。

自20世纪60年代起, Levanyuk等[11-12]和Dvo?ák[13]根据朗道相变唯象理论预测并探讨了非常规铁电体(Improper Ferroelectric)。与常规铁电体不同,非常规铁电体的初级序参量不是自发极化, 而是其它非极性物理量[12]。2008年, Bousquet等[14]在PbTiO₃/SrTiO₃超晶格中发现一种基于氧八面体旋转畸变与界面耦合诱导的非常规铁电性。具有铁电/顺电PbTiO₃/SrTiO₃超晶格的基态并不是常规铁电态, 而是通过氧原子的反铁畸变引入了非常规铁电性, 并且高介电常数特性不随温度发生变化。氧八面体的旋转畸变在诱发非常规铁电性的同时可能会引起磁结构的变化, 这表明基于氧八面体旋转畸变的非常规铁电体有望实现内禀的电控磁特性[14]。在非常规铁电体中, 氧八面体旋转畸变、反铁畸变及Jahn-Teller畸变等非极性模是相变过程中的主序参量, 这使其电子构型不再受限于上述常规铁电体, 避免了与磁性电子构型的不兼容, 从而有望获得单相多铁性材料。基于上述研究, 美国学者提出了HIF, 它不仅能更容易地实现铁电性和(反)铁磁性共存, 还有望得到具有强磁电耦合效应的室温单相多铁性材料[14-19]。目前已有报道指出, HIF材料可以存在于超晶格、层状钙钛矿以及金属有机骨架化合物中[20]。基于R-P结构氧化物进行材料设计与性能调控, 进而研究其介电、铁电、压电、磁电多铁性, 以及光学、光催化特性, 受到了广泛关注(图1)。