科学评论\（\def\h填{\hskip5em}\def\hfil{\hski p3em}\def\eqno#1{\hfil{#1}}\）

基础 进展

国际标准编号：2053-2733

第74卷| 第4部分| 2018年7月| 第291-292页

https://doi.org/10.107/S2053273318009294

免费

新型钙钛矿多铁性体的对称路线图

帕特里克·M·伍德沃德^一*

^一美国俄亥俄州哥伦布市俄亥俄州立大学化学和生物化学系，邮编43210
^*通信电子邮件：woodward.55@osu.edu

关键词： 钙钛矿；多铁性体；对称.

类似文章

立方钙钛矿结构表面非常简单，具有单位电池它只包含五个原子，都位于固定位置。然而钙钛矿在这个简单的主题上表现出令人难以置信的变化。结构畸变，如八面体倾斜、协同Jahn–Teller畸变、极性和反极性阳离子位移是常见的。在基本钙钛矿结构的所有三个位置上都可以实现各种化学有序模式。这种成分的多样性和结构的灵活性是钙钛矿族大量重要功能材料的主要原因。

钙钛矿是固态材料化学家的理想场所，但其组成相空间太大，爱迪生的材料发现方法通常并不有效。一个人需要一些指导方针——如果你愿意的话，一个路线图，它显示了在哪里寻找下一个有希望的材料。钙钛矿长期以来一直是特殊介电材料的来源，包括铁电体（钛酸钡_三，氧化铅_三)，松弛铁电体（铅锰_1/3编号_2/3O（运行）_三)和压电（PbZr_1−x个钛_x个O（运行）_三). 最近，科学家们开始寻找钙钛矿，寻找新的混合不当铁电体–铁电极化是由两种非极性晶格畸变（通常是多面体旋转）的组合引起的材料（Benedek&Fennie，2011; 贝内德克等。, 2015).

以格雷泽（1972）的开创性作品为基础)和Aleksandrov（1976年)，霍华德和斯托克斯（1998年)首次应用群论工具分析钙钛矿中八面体倾斜畸变的对称性后果。这项工作产生了一系列文章，研究八面体倾斜与阳离子有序的组合（霍华德等。, 2003)、极性和反极性阳离子位移（斯托克斯等。, 2002)和Jahn–Teller扭曲（Howard&Carpenter，2010)等等。在本期中，Mark Senn和Nicholas Bristowe将此方法扩展到包括磁性，并在此过程中制定了寻找新磁电和多铁材料的指导原则).

利用对称性论证，Senn和Bristowe为开发新型磁电钙钛矿制定了路线图。他们的方法首先研究了各种非极性结构畸变机制、化学顺序模式和/或外部晶格应变的耦合如何产生混合非正常铁电性。接下来，他们介绍了磁性，并表明当A类-和 B类-位阳离子具有一定的反铁磁有序模式，它们可以通过三线性耦合机制诱导铁电性。他们的分析确定了成分空间，这应该是发现新的II型多铁性体的肥沃土壤，在这些铁性体中，铁电性和铁磁性都是强耦合的，因为磁有序破坏了反转对称性。他们应用类似的原理制定了在钙钛矿中发现弱铁磁性的指南，这是对多铁性材料可能的技术应用的一个重要考虑。他们的文章最后将这些设计原则结合在一起，为铁电和弱铁磁材料的设计提供指导。

多年来，化学家已经开发出了很好的启发式方法，用于预测何时会发生局部畸变，如Jahn–Teller畸变或局部阳离子偏心。对于什么离子组合会产生不同类型的八面体倾斜或特定的阳离子有序模式，人们有一个相当好的理解。一些导致混合不当铁电性的畸变组合之前已知，例如A类-同相和异相结合的位阳离子(一⁻一⁻b条⁺)八面体倾斜，但这是首次对结构畸变、反铁磁性和极性畸变的综合效应进行全面的对称性分析。

有了这些设计磁电和多铁性材料的新指导方针，现在就要由实验人员来创造具有正确畸变和有序性组合的材料了。例如，为了发现具有耦合铁电性和弱铁磁性的新材料，Senn和Bristowe主张寻找层状钙钛矿A类-站点阳离子排序，一⁻一⁻b条⁺八面体倾斜与反铁磁有序的鲁棒性B类-位置阳离子（图1). 即使有了这些指导方针，发现新的多铁性体也不是轻而易举的事A类-除非B类站点至少部分被非磁性占用d日⁰阳离子（King&Woodward，2010)这使得很难在技术相关温度下稳定磁性。不过，知道去哪里找比在黑暗中寻找要好得多。

图1 同相和异相八面体倾斜的组合A类和A类′阳离子与反铁磁有序B类-位置阳离子是制造钙钛矿的多种可能配方之一，但同时也不合适铁电体和弱铁磁体。