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多铁性研究作为凝聚态物理和材料学的交叉新兴学科,于近10年间在学界和工业界引起极大地关注和科研投入。因为可同时包含两种及以上的有序态,多铁性材料为磁电耦合效应的研究提供了很好的平台,其中丰富的物理机制引起了研究人员的广泛兴趣;同时,磁电互控效应的应用前景也进一步地将磁电耦合多铁性材料推向了更广阔的应用舞台。本论文主要讨论的是铁磁和铁电有序共存的磁电多铁性材料。 继无机氧化物多铁性材料的大量研究之后,人们开始关注有机材料中的多铁性。金属有机框架材料(MOF)是一种新的无机-有机杂化材料,其中有机组元和磁性金属离子的多样性及可调控性,为铁磁和铁电有序的共存及相互耦合提供了可能。本论文主要研究的是钙钛矿结构的金属有机框架材料(CH3)2NH2]Me(HCOO)3(Me=Fe,Co)及[C(NH2)3]Cu(HCOO)3的结构、磁性、介电、铁电与磁电耦合效应等。主要研究结果如下: 1.铜基的多铁性及磁电耦合研究。在磁性和电性测试中验证了其高温铁电及多铁性,并且观察到了外加磁场对热释电流的调控,及电场对低温磁性的调控,证实了其正逆磁电耦合效应。磁电耦合的实验结果与Picozzi教授等的理论计算相一致,表明一些钙钛矿结构MOF中的铁电性可以来源于一种复合机制。这些实验结果给出了Cu基MOF多铁体中磁有序与铁电有序存在耦合的强有力证据,对多铁性MOF的研究具有重要启示意义。 2.铁基的低温磁弛豫研究。观察到低温的反常磁性,以Fe-O-CH-O-Fe为交换路径,远距离超交换相互作用导致了其在低温19K的反铁磁有序的出现,而在更低温9K以下,发生了磁阻塞行为,并且它的台阶状的磁滞回线表现出单分子磁体的特征。同时,在其低温的磁弛豫行为显示出共振量子弛豫特征,即磁弛豫速率的单特征弛豫时间的指数定律,及其对磁场的非单调依赖。基于氢键对远距离超交换相互作用的调控解释了其在低温的量子隧穿行为。 3.铁基的低温共振量子磁电研究。通过测量低温磁介电行为,探测到了磁化强度的共振量子隧穿时的介电异常,验证了角动量守恒定律下的声子晶体耦合,为磁化强度的共振量子隧穿现象的探测提供了另一种方式。 4.钴基的多铁性及磁电耦合研究。在单晶样品中确认了它的多铁性,并且观测到磁场对热释电流,热膨胀及其转变温度的调控,证实了它为顺磁磁电耦合多铁体。首次利用热膨胀测量手段,探测到铁电相变处晶格沿[012]方向的约2%的晶格收缩,随磁场而增大,并且转变温度向高温推进。 综上所述,在钙钛矿结构的MOF材料中发现了多类磁电耦合多铁体,并结合理论计算合理地解释了A位,BX3框架对铁电极化的贡献,其中,氢键在铁电性及磁电耦合中均发挥了重要作用,表明钙钛矿MOF材料是一种很有前景的新型多铁性及磁电耦合材料。