磁電材料由于其能實現電學和磁學性能之間的相互調控，在發展超低功耗、超快存儲器件以及傳感器等方面具有重要前景。探索具有高相變溫度的磁電材料或者新型磁電效應一直是領域内重點問題。近日，永利鄭書翰博士團隊在探索磁電材料方面取得了系列研究成果。
一、Fe2TeO6是一個經典的線性磁電材料，其磁相變溫度高（TN ~ 208 K），磁電耦合效應顯著，基于該體系發展具有近室溫的高性能磁電材料具有一定潛力。然而，在關于Fe2TeO6的研究中往往使用多晶樣品，導緻對其的物性表征不全面，認識不夠完善，阻礙了進一步的研究。鄭書翰團隊通過化學氣相輸運法成功生長出高質量的Fe2TeO6單晶，并從實驗和理論方面對其展開了研究。結果表明當電場和磁場方向平行時，在TN以下存在線性磁電效應，符合磁點群4/m′m′m′。在9 T磁場下，c方向鐵電極化達到8.8 μC/m2，ab面内鐵電極化達到4 μC/m2。第一性原理計算得到Fe3+自旋雙層内和雙層間均為反鐵磁構型，與中子實驗結果相吻合。據此結果得到磁相互作用參數J1 = -18.64 meV，J2 = -18.64 meV，這解釋了Fe2TeO6高磁相變溫度的原因。這項工作為理解Fe2TeO6的磁電性能以及開展後續材料探索打下了良好基礎。該成果以“High temperature ME effect in Fe2TeO6”為題發表于國産高水平期刊Journal of Materiomics [J. Materiomics 11, 100977 (2025)]。永利2020級研究生馬國慶與東南大學研究生周迪為共同第一作者，鄭書翰博士和我校物理與電子科學學院劉美風教授為共同通訊作者，3044am永利集团為第一署名單位。南京大學劉俊明教授以及東南大學董帥教授對該工作進行了深入指導。
二、鐵電性的存在要求打破空間反演對稱性，因此晶格具有高度對稱性（如立方晶格）的材料體系往往難以實現磁電耦合效應。反而言之，在高度對稱的系統中實現磁電耦合，往往伴随着新奇效應或者磁激發，探索相關材料具有重要價值。在前期工作中，鄭書翰團隊在立方結構的石榴石材料Mn3Al2Ge3O12中發現了磁電耦合效應[Inorganic Chemistry 61, 86−91(2022)]，在此工作基礎上，鄭書翰團隊通過光學浮區法進一步生長出Mn3Al2Ge3O12單晶，對其磁電性能展開系統研究，并對其磁電耦合機制展開深入讨論。研究發現，Mn3Al2Ge3O12不同方向的磁電耦合系數均為非零項，且當電場和磁場方向垂直時，磁電耦合效應最強。從對稱性角度看，Mn3Al2Ge3O12的磁電耦合效應來源于其-3’磁點群。其磁電耦合微觀機制從逆DM相互作用以及環形磁矩兩方面進行了讨論。這項工作為探索立方結構材料中的磁電效應，以及進一步探索石榴石材料中的特殊物态提供了幫助。該成果以“Possible role of toroidal moments and Dzyaloshinskii-Moriya interaction”為題發表于美國物理學會知名期刊Physical Review B [Phys. Rev. B 110, 245116 (2024)]。永利2022級碩士生譚磊靂為論文的第一作者，鄭書翰博士和我校物理與電子科學學院劉美風教授為共同通訊作者，3044am永利集团為第一署名單位。南京大學劉俊明教授對該工作進行了深入指導。
上述成果均受到光電轉換材料與器件湖北省重點實驗室平台支持，并得到了國家自然科學基金、湖北省科技廳和黃石市創新聯合基金的資助。
作者介紹：
鄭書翰，博士，碩士生導師，2020年獲得南京大學理學博士學位。主要從事多鐵性材料以及磁電耦合效應的研究。主持國家自然科學基金青年項目1項，湖北省黃石市創新聯合基金項目1項，湖北省科技廳項目1項，國家重點實驗室開放課題1項。以第一或通訊作者身份在Physical Review B、Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics、Ceramics International等知名期刊發表學術論文7篇。