层状钙钛矿型(1-x)BaTiO3-xMgFe2O4复合材料的磁电耦合效应研究及其多铁性应用探索

本研究针对单相多铁性材料居里温度低、磁电耦合弱的瓶颈问题，通过固相反应法制备了(1-x)BaTiO3-xMgFe2O4（BTO-MFO）0-3颗粒与2-2层状复合材料。研究发现0.65BTO-0.35MFO三明治结构层状复合材料展现出最优磁电耦合效应，为无铅多铁性存储器、传感器设计提供了新材料体系。

　　

在信息存储技术飞速发展的今天，多铁性材料因其独特的磁电耦合特性成为研究热点。这类材料能同时展现铁电性（ferroelectric）和铁磁性（ferromagnetic），通过外场调控可实现数据的多态存储。然而单相多铁性材料面临两大困境：居里温度远低于室温，以及磁电耦合系数过低。这就像试图用不稳定的积木搭建高楼——基础性能的缺陷严重制约了实际应用。

为突破这一瓶颈，印度理工学院马德拉斯分校的研究团队将目光转向复合材料设计。他们选择无铅铁电体钛酸钡（BaTiO₃, BTO）和低漏电铁氧体镁铁氧体（MgFe₂O₄, MFO）作为构建单元，通过精巧的结构设计制备了系列复合材料。这项发表于《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》的研究揭示：0.65BTO-0.35MFO三明治结构层状复合材料展现出卓越的磁电耦合性能，其机制源于铁电相与铁磁相界面处的应变传递效应。

研究采用固相反应法制备BTO和MFO粉体，通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征物相与形貌。采用标准陶瓷工艺制备0-3型颗粒复合材料和2-2型层状复合材料，通过振动样品磁强计（VSM）和铁电测试系统分别表征磁电性能。

结构表征
XRD分析确认所有复合材料中BTO保持钙钛矿四方相（空间群P4mm），MFO维持尖晶石立方相，两相共存且无杂相。SEM显示两相具有明显不同的晶粒形貌：BTO呈规则多边形，MFO为球形，界面清晰。

电磁性能
随MFO含量增加，颗粒复合材料的饱和磁化强度从1.2 emu/g（x=0.05）提升至18.5 emu/g（x=0.45），归因于Fe³⁺-Mg²⁺反平行自旋不平衡。但高MFO含量导致漏电流剧增，x=0.45样品在50 kV/cm电场下的漏电流达10^-5 A/cm²，比x=0.05样品高三个数量级。

磁电耦合
三明治结构（BTO/MFO/BTO）层状复合材料展现出最高磁电耦合系数（ME系数）12.5 mV/cm·Oe，是双层结构的1.8倍。这种增强源于中间MFO层受到两侧BTO层的对称应力约束，优化了应变传递效率。

这项研究通过巧妙的材料组合与结构设计，实现了三大突破：首先，验证了BTO-MFO体系在室温下的强磁电耦合效应；其次，阐明三明治结构对界面应变传递的优化机制；最后，为无铅多铁性器件开发提供了新材料平台。特别值得注意的是，0.35的MFO摩尔分数被证明是平衡磁电性能与漏电流的最佳配比，这一发现为后续器件设计提供了重要参数依据。DPadma Priya等研究者指出，该材料体系在磁电存储器、磁场传感器等领域具有明确的应用前景，下一步将探索薄膜器件的制备工艺。