京都大學研究生院工學研究科的朱童特定助教和高津浩副教授、塞德里克·塔塞爾（Cedric Tassel）副教授、陰山洋教授的研究團隊與美國西北大學、日本東北大學、大阪大學、高能加速器研究機構物質結構科學研究所共同發佈研究成果稱，發現了一種可透過溫度控制鐵電性和鐵磁性的多鐵特性的鈣鈦礦氯化物。在此之前發現的同時具有鐵電性和鐵磁性的材料主要爲氧化物，本次研究證明氯化物也可具有該性質。此外，研究人員還明確了在新的溫度下這種氯化物具有可控性。該成果有望大大拓展材料開發的範圍。相關成果已刊登在國際學術雜誌《Nature Materials》1月5日號上。
圖1：(K1-x/Rbx)₃Mn₂Cl₇的構造和物理性質隨溫度變化的模式圖。在高溫下，該物質處於被稱爲順電相的無極性狀態，但隨着溫度降低，MnCl₆八面體旋轉，結構發生變化，並最終變成被稱爲鐵電相的極性狀態。在中間溫度範圍内，會出現反鐵電相狀態，這是一種因上下層極性方向相反，晶體整體的極性爲零的狀態。（供圖：京都大學）
近年來，由於同時具有鐵磁性和鐵電性的多鐵材料有可能應用於下一代資訊存儲設備，所以對該材料的研究正在加速。另一方面，迄今爲止開發的多鐵材料幾乎都是氧化物。
此次，研究團隊重點研究了具有鈣鈦礦構造的氯化物(K1-x/Rbx)3Mn2Cl7。
由於氯離子極化率低、離子性強、柔性高，因此研究人員考慮使用氯離子。此外，鈣鈦礦具有塊狀堆積的層狀結構，鈣鈦礦氯化物主要是在控制結構尺寸的K和Rb鹼金屬離子中排列了由氯（Cl）離子和磁性Mn離子組成的八面體MnCl6，這種八面體具有在層内旋轉或傾斜的性質。這一性質也被認爲有利於顯露介電性和磁性。
結合中介子/X射線繞射、極化測量和理論計算進行分析的結果證實，這種材料在高溫下是順電相（無極性狀態），但隨着溫度的降低，MnCl6會發生旋轉，最終成爲鐵電相。
研究還表明，在低於65K（-208℃）的低溫下會出現鐵磁態。
此外，研究還發現透過改變該氯化物中K和Rb的比例，將轉化爲鐵電相的溫度（Tc）調整到65K的磁極化發生溫度以下時，可以透過熱刺激同時控制介電性和磁性。
朱童特定助教表示：「本次成果的取得是透過融合化學和物理可用能的不同領域開展新研究的成果。今後，我們將繼續操作尋找可應用於元器件的材料。此外，在將多鐵材料科學擴展到氯化物的同時，我們也將嘗試結合氯離子和氧離子。」
陰山教授表示：「還有很多其他與Mn一樣的二價元素，我認爲還可以嘗試改變K和Rb等鹼金屬，而且我們的實驗室已經獲得了一些有趣的成果。希望可以進一步推動氯化物鈣鈦礦的科學隊形變換。此外，除了基礎研究之外，我們還將同時推進元器件化的研究。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Materials
論文：Thermal multiferroics in all-inorganic quasi-two-dimensional halide perovskites
DOI：10.1038/s41563-023-01759-y
