图
1.YCr
0.88
Fe
0.12O3
单晶的“温度-磁场”相图
磁性是物质的基本属性，磁性物质在信息存储、磁制冷等现代科学技术和生产生活中广泛应用。具有简单钙钛矿结构的RCrO
3
（R=稀土元素）及其Fe掺杂体系具有很强的磁电效应，还表现出较大的磁热效应及温度诱导的磁矩翻转等现象，近年来已受到越来越多的关注。但是，其微观机理尚不明确，甚至该体系中观察到的磁电效应是否为本征属性仍存在争议。因此，对该体系的磁性及磁电效应进行系统研究具有重要的科学意义，有助于理解其微观机理，探寻新型磁性功能材料及磁电材料。合肥研究院固体所研究人员对一系列Fe掺杂的RFe
0.5
Cr
0.5
O
3
(R=Y, Sm, Nd, Dy, Gd等)多晶、RCrO
3
(R=Gd, Tb, Dy, Er, Nd等)及其掺杂体系单晶的磁电效应进行了系统研究。
图
2.GdFe
0.5
Cr
0.5
O
3
多晶中巨磁热效应
研究发现，Fe掺杂的RFe
0.5
Cr
0.5
O
3
(R=Y, Sm, Nd, Dy, Gd等)体系，除了具有巨磁热效应、温度诱导的磁矩翻转、只改变外加磁场大小而无需改变磁场方向的磁矩翻转等现象外，在室温以下还表现出两个相继发生的介电弛豫行为。分析表明，该体系中温度诱导的磁矩翻转现象不仅与R-Cr/Fe磁相互作用有关，还与Fe-Cr磁相互作用密切相关。而在低温下发生的两个介电弛豫则分别与电子在富Cr团簇及富Fe团簇内的跳跃有关，其中富Cr/Fe团簇是由体系中Fe/Cr无序引起的。相关研究相继发表在
Materials Research Bulletin
、
Applied Physics Letters
等期刊上。
图
3.TbCrO
3
单晶中磁场诱导的磁矩跳跃现象(左图)及DyCrO
3
单晶中的磁电效应(右图)
为了进一步深入研究RCrO
3
体系的磁电效应及温度诱导的磁矩翻转等现象的微观机理，研究人员生长了RCrO
3
(R=Gd, Tb, Dy, Er, Nd等)及其掺杂体系的单晶样品。通过对其磁性和磁电效应等进行深入研究发现，该体系的磁学性能因稀土元素R的变化存在很大差异，但在低温下都具有较强的本征磁电耦合效应。(1)GdCrO
3
单晶：在该单晶中观测到了两个连续的温度诱导的磁矩翻转现象，还发现了温度诱导的磁矩不连续跳跃的新现象。这些磁现象与GdCrO
3
单晶材料中Gd-Cr自旋相互作用有密切关联。此外，在低温下该单晶表现出极大的磁热效应，其数值高达~242 mJ cm
-3
K
-1
，远大于其它稀土合金(如，HoCoAl等)以及Gd基石榴石Gd
3
Ga
5–x
Fe
x
O
12
等同温区的磁热材料。相关结果发表在
Journal of
Applied Physics
上。(2)TbCrO
3
、ErCrO
3
及DyCrO
3
单晶：TbCrO
3
和ErCrO
3
单晶在低温下都表现出磁场诱导的磁矩跳跃现象；ErCrO
3
单晶在低温下还具有非常大的旋转磁热效应；DyCrO
3
及ErCrO
3
单晶在低温下表现出Cr离子及稀土离子的自旋重取向行为。这些现象都属首次报道。相关结果发表在
Journal of Materials Chemistry C
上。通过对RCrO
3
体系Cr位进行磁性元素替代，可以引入新的磁相互作用，进而改变其磁性基态并获得一些新的磁、电等性质。基于该思路，科研人员生长出了
Fe
掺杂
YCr
1-x
FexO
3
(x=0.12)
单晶样品，研究
发现该样品由于Fe/Cr之间的无序占位以及较强的Fe-Cr磁相互作用，使得其表现出不同于YCrO
3
和YFeO
3
母体样品的磁场及温度诱导的自旋重取向等磁行为。相关工作发表在
Applied Physics Letters
上。
该工作得到国家自然科学基金，中科院前沿科学重点研究项目的资助。
