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室温多铁性材料有望推动低能耗计算发展
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室温多铁性材料有望推动低能耗计算发展 Rice University的研究团队开发出一种新型多铁材料，它是在一种著名多铁体基础上的改进版本，其在室温下的性能比原始材料高出数个数量级。这项发表于Proceedings of the National Academy of Sciences的研究表明，改性后的铁酸铋材料相比传统铁酸铋，磁化强度提高了 10 倍，磁电耦合强度提高了 100 倍。 这种新材料的制备过程包括：将铁酸铋与钛酸钡混合，同时在一个能够引起晶格畸变的衬底上将其生长为薄膜。 “此前从未有人同时调控这两个关键参数——应变和化学组成，”该研究负责人、Rice 大学材料科学家 Lane Martin 表示。“我们成功地将两种不同的材料体系结合起来，创造出一种具有全新结构和全新性能组合的新材料。” 现代计算依赖于通过控制电子流的开关来存储和处理信息。这一机制在基于硅的电子系统中已经得到了充分理解和精准控制。然而，这一材料体系如今正逐渐逼近其能效极限。 “当今电子技术面临着严重的能耗问题，”Rice 大学材料科学与纳米工程学 Robert A. Welch 讲席教授 Martin 说。“在未来 5 到 10 年内，计算所消耗的电力可能占到全球总发电量的四分之一到三分之一，这显然是不可持续的。” 因此，材料科学家和工程师正在探索利用电子的其他性质，以及其他基本粒子的特性，来构建新型计算方式。其中一种重要途径就是利用电子的自旋——一种磁性属性。 “在过去 20 至 25 年间，多铁材料一直是一个备受关注的重要研究方向，”Rice 先进材料研究所负责人 Martin 表示。 “顾名思义，多铁材料具有多个序参量。我们最感兴趣的是同时具有铁电性和磁性的材料——它们具有可被电场切换的自发极化，同时也具有磁性。” 多铁材料之所以前景广阔，是因为这些不同性质之间存在耦合效应，即所谓的磁电效应。这意味着电场可以改变材料的磁性，而磁场也可以改变其极化状态。这样的可切换性有望为低能耗存储和逻辑运算提供物理基础，甚至有可能将存储和逻辑功能整合到单一器件中。 然而，长期以来的挑战在于找到一种能够在室温下同时表现出强铁电性和强磁性的单一材料。铁酸铋一直被认为是一个有希望的候选材料，但由于其原子磁矩彼此抵消，其磁性较弱。 令人意外的是，在引入非磁性的钛酸钡并结合精确设计的应变之后，新材料不仅保持了强铁电性能，其整体磁化强度还显著提升。 论文第一作者、Martin 实验室博士后研究员 Tae Yeon Kim 表示：“我原本并没有预料到磁化强度会有如此巨大的提升。起初，我只是对这种新结构感到兴奋；但当我测量到磁性时，反而变得非常谨慎。我们重复了很多次实验，以确保结果真实可靠。” Kim 的谨慎是完全必要的，因为薄膜材料的磁性测量本身就具有相当大的挑战性。为了验证这一发现，她花费了六个多月制备和测试样品，甚至请实验室另一位成员按照她的方法独立生长相同材料，以确认结果具有可重复性。 虽然大部分实验工作在 Rice 大学完成，但研究团队还利用了多个外部研究设施，包括在Lawrence Berkeley National Laboratory先进光源（Advanced Light Source）进行同步辐射测量。此外，他们还与Bar-Ilan University、Drexel University、Massachusetts Institute of Technology、Northeastern University、University of California, Berkeley、University of Pennsylvania以及U.S. Naval Research Laboratory的研究人员合作，从多个角度深入理解这一复杂材料。 除了发现这一极具潜力的新材料外，这项工作还提出了一种更广泛的材料设计策略：通过将化学组分调控与应变工程相结合，构筑具有意想不到性能的新型多铁材料。更令人惊讶的是，引入非磁性原子反而增强了材料的磁性，这一结果有望为未来材料设计提供新的指导思路。 “这正是科学最有趣的地方，”Martin 说，“当一种材料展现出出乎意料的行为时，我们就必须进一步弄清楚其中的原因。” Publication details Tae Yeon Kim, et al. Strong intrinsic multiferroism and magnetoelectric coupling in (1–x)BiFeO3-(x)BaTiO3 films, Proceedings of the National Academy of Sciences (2026). DOI: 10.1073/pnas.2603475123 |
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