磁电多铁性材料是指同时具有磁有序和铁电有序的一类新型材料。在多铁性材料中，共存的磁有序和铁电有序之间还可能存在交叉耦合，即磁电耦合效应（magnetoelectric effect），从而使电场控制磁性以及磁场控制电性成为可能，为设计和发展新型功能器件提供了额外的自由度。具有磁电耦合的多铁性材料在自旋电子学器件、磁电传感器、存储器、换能器以及微波移相器等方面存在广泛的应用前景。同时，对多铁性起源和磁电耦合效应物理机制的研究也将会极大地推动凝聚态物理的发展。
　  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）磁学国家重点实验室孙阳研究员领导的M06课题组近年来致力于多铁性材料与磁电耦合效应的研究，分别在电荷有序多铁性材料（Phys. Rev. B 79, 172412 (2009)，Appl. Phys. Lett. 97, 092501 (2010)），螺旋磁有序多铁性材料（Appl. Phys. Lett. 100, 122901 (2012)）和铁磁/铁电异质结构中（Phys. Rev. Lett. 108, 137203 (2012)）发现了大的磁电耦合效应，实现了电场对磁化强度的调控以及磁场对铁电极化强度的反转。
　  最近，孙阳研究组与磁学实验室M02组王守国副研究员、韩秀峰研究员等合作，在金属-有机骨架材料的多铁性与磁电耦合效应的研究方面获得了重要进展。金属-有机骨架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）材料因在催化、储氢和光学元件等方面具有潜在的应用价值而受到广泛关注, 是目前新功能材料研究领域的一个热点。由于有机物化合物具有制备灵活、骨架柔性、易裁剪性以及易形成高度各向异性和低晶格对称性结构等方面的优点，人们近年来尝试将铁电性有机物和磁性过渡金属离子结合，设计出基于金属-有机杂化的新型多铁性材料。M06组研究生王伟利用水热法制备出一种钙钛矿结构的金属-有机骨架材料[(CH3)2NH2]Mn(HCOO)3单晶样品，对其磁性和介电性质测量表明，该体系在185 K发生一个顺电-铁电相变，在8.5 K发生一个顺磁-反铁磁相变，因而在低温下同时具有磁性和铁电性，是一种新型多铁性材料。更为重要的是，研究发现其磁化率和电子自旋共振强度在铁电相变温度出现反常，偏离居里-外斯定律，表明铁电有序会影响短程磁关联。同时，该体系的铁电极化强度可以被外加强磁场改变，随磁场强度增加而变大。这种在顺磁态的磁电耦合可能是通过局域的磁弹性耦合效应将氢键有序和磁性交换作用关联起来。这是关于金属-有机骨架材料中磁电耦合效应的第一例实验报道，表明将有机铁电与磁性金属离子相结合，将会大大拓展多铁性材料和磁电耦合效应的探索空间。
　  这项研究进展发表在Scientific Reports 3, 2024 (2013)上。该工作得到了科技部量子调控项目及国家自然科学基金的资助。


图1. [(CH3)2NH2]Mn(HCOO)3金属-有机骨架材料的晶体结构和磁性。




图2. 介电常数和磁化率倒数随温度的变化。在铁电相变处，磁化率出现反常。



图3. 电子自旋共振谱随温度的变化。在铁电相变处，磁共振强度出现反常。



图4. 不同外加磁场下的热释电和铁电极化强度。在外加磁场下，铁电极化增强。