京都大学研究生院工学研究科的朱童特定助教和高津浩副教授、塞德里克·塔塞尔（Cedric Tassel）副教授、阴山洋教授的研究团队与美国西北大学、日本东北大学、大阪大学、高能加速器研究机构物质结构科学研究所共同发布研究成果称，发现了一种可通过温度控制铁电性和铁磁性的多铁特性的钙钛矿氯化物。在此之前发现的同时具有铁电性和铁磁性的材料主要为氧化物，本次研究证明氯化物也可具有该性质。此外，研究人员还明确了在新的温度下这种氯化物具有可控性。该成果有望大大拓展材料开发的范围。相关成果已刊登在国际学术杂志《Nature Materials》1月5日号上。
图1：(K1-x/Rbx)₃Mn₂Cl₇的构造和物理性质随温度变化的模式图。在高温下，该物质处于被称为顺电相的无极性状态，但随着温度降低，MnCl₆八面体旋转，结构发生变化，并最终变成被称为铁电相的极性状态。在中间温度范围内，会出现反铁电相状态，这是一种因上下层极性方向相反，晶体整体的极性为零的状态。（供图：京都大学）
近年来，由于同时具有铁磁性和铁电性的多铁材料有可能应用于下一代信息存储设备，所以对该材料的研究正在加速。另一方面，迄今为止开发的多铁材料几乎都是氧化物。
此次，研究团队重点研究了具有钙钛矿构造的氯化物(K1-x/Rbx)3Mn2Cl7。
由于氯离子极化率低、离子性强、柔性高，因此研究人员考虑使用氯离子。此外，钙钛矿具有块状堆积的层状结构，钙钛矿氯化物主要是在控制结构尺寸的K和Rb碱金属离子中排列了由氯（Cl）离子和磁性Mn离子组成的八面体MnCl6，这种八面体具有在层内旋转或倾斜的性质。这一性质也被认为有利于显露介电性和磁性。
结合中子/X射线衍射、极化测量和理论计算进行分析的结果证实，这种材料在高温下是顺电相（无极性状态），但随着温度的降低，MnCl6会发生旋转，最终成为铁电相。
研究还表明，在低于65K（-208℃）的低温下会出现铁磁态。
此外，研究还发现通过改变该氯化物中K和Rb的比例，将转化为铁电相的温度（Tc）调整到65K的磁极化发生温度以下时，可以通过热刺激同时控制介电性和磁性。
朱童特定助教表示：“本次成果的取得是通过融合化学和物理的不同领域开展新研究的成果。今后，我们将继续寻找可应用于元器件的材料。此外，在将多铁材料科学扩展到氯化物的同时，我们也将尝试结合氯离子和氧离子。”
阴山教授表示：“还有很多其他与Mn一样的二价元素，我认为还可以尝试改变K和Rb等碱金属，而且我们的实验室已经获得了一些有趣的成果。希望可以进一步推动氯化物钙钛矿的科学发展。此外，除了基础研究之外，我们还将同时推进元器件化的研究。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature Materials
论文：Thermal multiferroics in all-inorganic quasi-two-dimensional halide perovskites
DOI：10.1038/s41563-023-01759-y
