《多铁性材料的发展演变》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2018-08-01
  • 共存铁磁与铁电序的多铁性材料为电控磁提供了一个有效手段。虽然多铁性的研究可以追溯至上个世纪50年代,但在近几年中,理论探索、材料合成与表征技术方面的关键性发现又引起发了研究这类材料新一波的兴趣。材料的多铁性起源于不同的机制,如孤电子对、几何、电荷有序以及自旋相关效应等。如今多铁性的研究已经转移到了相关邻近的领域。主要关注多铁性薄膜异质结,器件构造,畴结构以及界面效应。多铁性材料的一个关键特点是破坏空间反演对称性,这直接决定了多铁性材料的性能。此外,有些方面的研究还未受到相应的重视,如多铁性的非平衡动力学研究,这些研究将定义这个领域的未来。

    苏黎世联邦理工学院的Manfred Fiebig(通讯作者),Thomas Lottermoser,Dennis Meier和Morgan Trassin在Nature reviews materials发表了题为“The evolution of multiferroics”的综述文章。该综述首先简单介绍了多铁性材料的发展历程。归纳了允许铁磁与铁电序共存的可能机制,并且评价了其磁电耦合效应的强弱。然后讨论了多铁性异质结和界面引起的各种功能特性,多铁性材料的畴与畴壁结构。提出应更多关注多铁性材料的非平衡动力学、对称性等方面的研究。最后总结了多铁性领域目前存在的主要问题与未来的发展方向。

    综述地址:ETH Zurich,Manfred Fiebig,Thomas Lottermoser,Dennis Meier,Morgan Trassin,Nature Reviews Materials, 2016, 1(8): 16046. DOI:10.1038/natrevmats.2016.46

    该综述提到的一些重要的参考文献:

    1.Hill, N. A. Why are there so few magnetic ferroelectrics? J. Phys. Chem. B 104, 6694–6709 (2000). 这篇文献从理论上指出了钙钛矿材料中铁电序与铁磁序的不兼容性。

    2.Schmid, H. Multi-ferroic magnetoelectrics. Ferroelectrics 162, 317–338 (1994).这篇文献确定了许多多铁性材料研究的术语与基本概念。

    3.Fiebig, M., Lottermoser, T., Fröhlich, D., Goltsev, A. V. & Pisarev, R. V. Observation of coupled magnetic and electric domains. Nature 419, 818–820 (2002). 首篇关于第I类多铁性材料中多铁性畴壁和磁电畴耦合效应的文献。

    4.Kimura, T. et al. Magnetic control of ferroelectric polarization. Nature 426, 55–58 (2003). 这篇文献在第II类多铁性材料中观察到了巨大的磁电耦合效应。

    5.Wang, J. et al. Epitaxial BiFeO3multiferroic thin film heterostructures. Science 299, 1719–1722 (2003). 铁酸铋多铁性薄膜的首篇工作。

    6.Katsura, H., Nagaosa, N. & Balatsky, A. V. Spin current and magnetoelectric effect in noncollinear magnets. Phys. Rev. Lett. 95, 057205 (2005). 首篇在理论上解释铁磁诱发铁电的文献。

    7.Heron, J. T. et al. Deterministic switching of ferromagnetism at room temperature using an electric field. Nature 516, 370–373 (2014). 室温电控磁多铁性器件。

    8.Valencia, S. et al. Interface-induced room-temperature multiferroicity in BaTiO3. Nat. Mater. 10, 753–758 (2011). 首篇指出两相界面和畴壁出现多铁性的文献。

    9.Hoffmann, T., Thielen, P., Becker, P., Bohatý, L. & Fiebig, M. Time-resolved imaging of magnetoelectric switching in multiferroic MnWO4. Phys. Rev. B 84, 184404 (2011). 首篇关于多铁性材料中磁电转变的动力学研究。

    10.Pimenov, a. et al. Possible evidence for electromagnons in multiferroic manganites. Nat. Phys. 2, 97–100 (2006). 这篇文献确定了多铁性材料基态的磁电激发。

相关报告
  • 《5G时代 复合材料的发展机遇》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2020-01-14
    • 5G给我们带来的是超越光纤的传输速度(Mobile Beyond Giga),超越工业总线的实时能力(Real-Time World)以及全空间的连接(All-Online Everywhere), 5G将开启充满机会的时代。 从5G的建设需求来看,5G将会采取“宏站+小站”组网覆盖的模式,历次基站的升级,都会带来一轮原有基站改造和新基站建设潮。5G基站的海量增长,将同步带动PCB、天线振子及滤波器等元器件应用的大幅增长。 在5G基站中,印刷电路板(Printed Circuit Board,简称PCB)作为最基础的连接装置将被广泛使用。 PCB产业界广泛应用的基板材料是玻纤布增强的环氧型基材FR-4(环氧树脂玻纤布覆铜板),该材料是由一层或者多层浸渍过环氧树脂的玻璃纤维布构成。 璃纤维布和特殊树脂是PCB重要的原材料之一,玻璃纤维布作为增强材料,起着绝缘和增加强度的作用;特殊树脂作为填充材料,起着粘合和提升板材性能的作用。 为了满足高频高速PCB产品的可靠性、复杂性、电性能和装配性能等诸多方面的要求,许多PCB基板材料的厂商对特殊树脂进行了不同的改进。 在目前高速高频化的趋势下,较为主流的PCB材料包括聚四氟乙烯树脂(PTFE)、环氧树脂(EP)、双马来酰亚胺三嗪树脂(BT)、热固性氰酸脂树脂(CE)、热固性聚苯醚树脂(PPE)和聚酰亚胺树脂(PI),由此衍生出的覆铜板种类超过130种。 对于基站PCB而言,最为重要的指标是介电特性、信号传输速度和耐热性,前两点上PTFE基板都具有较好的性能。 它是目前为止发现的介电性能最好的有机材料,优异的介电性能有利于信号完整快速地传输,这角度而言PTFE是5G时代基站PCB板的优选树脂材料。 塑料天线振子大有可为 天线振子是天线的核心部件。天线振子作为天线的主要组成部分,主要负责将信号放大和控制信号辐射方向,同样可以使天线接收到的电磁信号更强。 5G时代由于频段更高且采用Massive-MIMO技术,天线振子尺寸变小且数量大幅增长,综合考虑天线性能及AAU安装问题,塑料天线振子方案具有一定的综合优势。 为了应对5G新型天线的变化,市场上出现了全新的工艺——3D选择性电镀塑料振子方案。 所谓的塑料天线振子即采用内含有机金属复合物的改性塑料材料,用注塑成型的方式将复杂的3D立体形状一次性制造出来,再利用特殊技术使塑料表面金属化。塑料振子在保证天线满足5G电器性能的同时,产品重量大大减轻,减少了危险过程工序,也节约了成本。 3D塑料振子除了重量非常轻,还能满足钣金和压铸工艺所不能实现的精度要求。注塑和选择性电镀都是精度非常高的工艺,将它们结合在一起,可以保证天线振子精度满足3.5G以上的高频场景要求。 陶瓷介质滤波器优势多 4G时代,通信基站主要采用金属腔体滤波器方案。5G时代,基站通道数扩展 16 倍,器件小型化成为趋势,陶瓷介质滤波器具有轻量化和小型化优势,同时具有可靠的机械结构、无振动结构,便于自动化组装,长期来看,将成为 5G 基站主流部件。 复合材料通讯塔和天线罩 高高耸立的通讯塔大都是钢结构,但腐蚀是个大问题,复合材料可以解决这个问题。复合材料比较轻,使用无扣件连接技术,塔结构的各个独立部件可以快速组装,在装配过程中不需要金属螺栓,安装方便,还减轻了整个塔体的重量。 天线罩要具有良好的电磁波穿透特性,机械性能上要能经受外部恶劣环境的侵蚀如暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等。在材料要求方面,要求在工作频率下的介电常数和损耗角正切要低,及要有足够的机械强度。 一般而言,充气天线罩常用涂有海帕龙橡胶或氯丁橡胶的聚酯纤维薄膜;刚性天线罩用玻璃纤维增强塑料;夹层结构中的夹心多用蜂窝状芯子或泡沫塑料。 而在5G趋势下,性能优越的复合材料成为备受欢迎的天线外罩材料。复合材料能起到绝缘防腐、防雷、抗干扰、经久耐用等作用,而且透波效果非常好。 手机后盖:首选PC/PMMA塑料复合材料 5G 时代,针对手机结构、形态新的要求,例如小型化、超薄化、全面屏等,都需要新的工艺和材料支撑。无线充电、NFC 等功能需求加快手机后盖去金属化推进,带动 PC/PMMA 共挤复合板材市场规模大幅上升。 5G时代,对 5G应用设备材料提出了更严苛的要求。由于5G走的是对金属敏感的毫米波,使用金属外壳将会屏蔽信号。塑料复合材料凭着优越的性能,成为手机后盖的潮流选择。 当中,最热门的要数PC/PMMA复合板材。这种材料是将PMMA和PC通过共挤(非合金材料)制得,包括PMMA层和PC层。 MMA层加硬后能达到4H以上的铅笔硬度,保证了产品的耐刮擦性能,而PC层能确保其具有足够的韧性,保证了整体的冲击强度。 石墨烯:理想的5G设备导热散热材料 高频率、硬件零部件的升级以及联网设备及天线数量的成倍增长,设备与设备之间及设备本身内部的电磁干扰无处不在,电磁干扰和电磁辐射对电子设备的危害也日益严重。 与此同时,伴随着电子产品的更新升级,设备的功耗不断增大,发热量也随之快速上升。 未来高频率高功率电子产品要着力解决其产生的电磁辐射和热。 为此,电子产品在设计时将会加入越来越多的电磁屏蔽及导热器件。因此电磁屏蔽和散热材料及器件的作用将愈发重要,未来需求也将持续增长。 以导热石墨烯为例,5G手机有望在更多关键零部件部位采用定制化导热石墨烯方案,同时复合型和多层高导热膜由于具备更优的散热效果而将会被更多采用。 5G复合材料相关新闻 科思创研发5G基站外壳材料 2019年年中,科思创亚太区创新副总裁施马可表示,公司已成功研发了适用于5G基站的外壳材料。 施马可表示,5G技术拥有频率高、波长短的特点,导致其信号衰减程度较大,这意味着需要借助于大量5G微型基站的部署不断放大信号,确保信号覆盖。相比于4G时代,5G的微型基站数量预计将增加约20倍左右。 而在开发5G基站的过程中,必须确保5G的高频信号能够顺利穿透外壳,这对材料提出了较高要求。在一年多前,科思创位于上海的聚合物研发中心启动了这项针对5G基站外壳材料的实验。 巴斯夫创新聚氨酯解决方案为中国5G通信塔提供稳固支持 巴斯夫Elastolit?聚氨酯(PU)创新材料解决方案为中国部署5G网络提供助力。安徽汇科恒远复合材料有限公司(汇科)采用Elastolit制成60座通信塔,分布在北京、苏州以及黑龙江和江西的多个城市。 相比传统混凝土或钢基材料,采用Elastolit?制成的通讯塔质量更轻,即便在偏远地区亦可快速安装,同时能够抵御大雪和强风等恶劣天气。 巴斯夫亚太区特性材料部全球高级副总裁鲍磊伟(Andy Postlethwaite)表示:“5G基站承载传输设备和天线,必须在恶劣天气条件下保持强韧。采用巴斯夫PU复合材料制成的35米高通信塔重约1,500至1,800千克,其断裂强度是自身重量的十倍。” 不仅如此,Elastolit?制成的通讯塔较传统钢塔更具成本效益。Elastolit?具有耐锈和耐腐蚀特性,所需维护量更小。表面覆盖有一层特殊配方的耐紫外线涂层,能够延长其使用寿命。同时具有防火性,能够迅速自熄。 俄罗斯物理学家开展用于5G设备的复合材料性能研究 俄罗斯托木斯克州立大学(TSU)的放射物理学家正在建立一个复合材料性能数据库,该数据库可辅助创建在太赫兹范围内运行的5G及空间通信设备。科学家们正在用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)工程塑料和碳纳米管研制复合材料,并在10兆赫至1太赫兹的频率范围内测量其性能。 为了开发这种原始材料,放射物理学家正在使用聚合物,并在化学工艺的辅助下,用碳纳米管进行填充。这些材料目前正由俄罗斯科学院西伯利亚分院的波列斯科夫催化研究所为放射物理学院的太赫兹实验室生产。 “通过添加不同含量的碳纳米管,我们改变了材料的介电性能。例如,我们可以增加介电常数。”放射物理学院副教授、项目经理Alexander Badyin解释说,“然后,我们使用3D打印技术,可以获得带有元件(导体、电阻等)的印刷电路板。我们通过控制装置的参数来打印对照样品(板或环),并检测复合材料在太赫兹范围内的工作性能。” 研究人员表示,此前的科研工作主要聚焦在4-5千兆赫兹的家用辐射频段中。而TSU科学家团队的工作范围更广——最高可达1太赫兹。研究人员表示,目前这项研究还不够充分。截至2019年12月,研究人员已经研究了近50个样品的特性。 日本信越化工推出“石英布”等适应5G时代需求的产品 日本信越化学工业根据5G时代的需求,推出了“石英玻璃纤维布”、“热固性低介电树脂”,可以用于5G高频带的电子器件和电路基板、天线、雷达罩等。此外,信越化学工业还增加了散热片的品种。 石英玻璃纤维布的介电常数低于3.7,消耗因数低于0.001,线膨胀系数低于1ppm/℃,传输损耗(电信号的劣化程度)的特性极为优异。该产品最适合作为5G超高速布线基板的核心材料,天线、雷达罩的纤维增强树脂零件等。 热固性低介电树脂是一种接近氟树脂、拥有低介电常数和高强度的低弹性树脂。它的高频带(10~80GHz)介电常数低于2.5,消耗因数低于0.00025。这是热固性树脂的最低水平。由于产品的低吸湿性、对低粗度的铜箔也具有很高的粘着力,因此也可用于FCCL(软性铜箔基材)。
  • 《这种“特立独行”的神奇材料 将让“钢铁侠”装备变为现实》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-03-10
    • 你知道世界上最“黑”的材料是什么吗?近期,国外一所学院的研究人员利用碳纳米管制造出一款材料,可吸收99.96%以上的入射光,堪称材料家族中的“黑洞”。无独有偶,同样是碳纳米管材料,研究人员利用超过1.4万个碳纳米管晶体管,制造出16位微处理器芯片,并向世界发出了“Hello, World”的信息。    碳纳米管,作为一种拥有特殊结构的一维量子材料,具备诸多超乎寻常的力学、电学、热学等物理性能和化学性能。请看——   性能优异的“材料之王”    在碳纳米管没有出现在世人面前之前,硅是半导体家族中当之无愧的“王者”。现有每个晶体管的核心都是由硅制成的半导体组件。根据晶体管的“开启”和“关闭”状态,来显示是否有电流通过,进而在计算机中呈现出1和0的“计算机语言”。只不过,硅晶体管目前在体积和性能上逐渐面临发展瓶颈,人们于是将更多地目光集中到碳纳米管等新兴材料上。    碳纳米管又名巴基管,是一种由呈六边形排列的碳原子构成的数层或数十层的同轴圆管,管的直径一般为2到20纳米。与头发丝相比,碳纳米管的直径只有它的几万分之一,目前公开报道的最细碳纳米管直径为0.4纳米。正是由于碳纳米管几乎只有原子那么厚,且可以很好地传输电流,人们才能用碳纳米管制造出比硅更好的半导体。    研究表明,碳纳米管处理器的运行速度比硅处理器快2倍,功耗却只有硅处理器的1/3,性能优异的新一代电子产品“王者”呼之欲出。    事实上,碳纳米管还有着许多堪称“特立独行”的神奇特性。作为迄今为止人类发现的力学性能最好的材料,碳纳米管有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂应变。与型号ASTMA228的高强度钢相比,碳纳米管的强度是它的270倍,弹性约为它的5倍,密度却只有它的1/6。    此外,碳纳米管在电学、热学和光学等方面也有着超越传统导电、导热材料的优异表现。从理论上讲,碳纳米管的导电效率是硅的10倍,一旦碳纳米管得到广泛应用,“硅谷”可能就真的名不副实了。    早在1985年,“足球”结构的富勒烯一经发现,立刻引来了全世界的目光。以“足球”结构为基础,稍加改动,就可形成具有中空圆柱状结构的碳纳米管。1991年,日本研究人员首次在碳纤维中发现了碳纳米管。随后,研究人员又发现了碳纳米管优异的导电性等诸多性能。目前,人们正在向着批量制备单根长度达到米级甚至公里级以上的碳纳米管而努力。    想要“驯服”碳纳米管这一“材料之王”实属不易。虽然碳纳米管是一种半导体,但其目前的制造过程需要用到金属,不可避免地会在成品材料中混入金属杂质。同时,将碳纳米管转化为电子元器件,需要将纳米管放置在极其精确的位置上。目前,人们还没有掌握能让碳纳米管在特定位置生长的方法。碳纳米管也对其“出生”的“产房”提出了极高要求:一旦环境温度过高致使催化剂失去活性,碳纳米管就会停止“生长”;相反,如果控制上稍有差池,碳纳米管又会“疯狂地生长”。    事实上,早在2013年,有关研究人员就制造出了拥有178个晶体管的第一台碳纳米管计算机,其中每个晶体管包含大约10到200纳米长的碳纳米管。如今,已有直径约为1微米的碳纳米管计算机晶体管研制成功,每秒能开关约100万次。此外,研究人员还发现碳纳米管有着优异的储氢性能,有望成为氢能电池的制造材料,可广泛应用于电动车、潜艇、电力机车等领域。    人们还计划将千千万万根碳纳米管拧在一起组成宏观纤维,这种被称为“终极纤维”的碳纳米管纤维,将对21世纪高端科技发展具有重大战略意义。一旦人们在“驯服”碳纳米管领域取得突破,一场由碳纳米管发端的科技革命即将“引爆”全球。    应用前景或将改变世界   在地球和月球或太空基地之间搭建一座“太空天梯”,这一场景曾出现在包括《三体》在内的诸多科幻小说中。要想建造月地“太空天梯”,就要能找到一种能跨越38万公里距离且不被自身重量拉断的材料。作为迄今为止发现的力学性能最好的材料之一,碳纳米管有着极高的拉伸强度,或将助力人们从地球“爬向太空”。未来,人类进入太空或运送物资进入空间站,或许就能像乘坐电梯一样来去自如。    同样借助于碳纳米管独特的力学特性,研究人员正尝试研究制造诸如“拉不断”的绳子、“扯不破”的纤维布和“打不透”的防弹衣等“黑科技”产品。风力发电机使用的叶片,对材料的强度和刚度要求极高,利用碳纳米管纤维制成的增强复合材料将成为最好的选择。碳纳米管纤维增强复合材料还具有极好的抗疲劳性,在桥梁、建筑中应用,不仅可以提高强度和抗震能力,还将延长其使用寿命。未来,包括高尔夫球杆、钓鱼竿、网球拍、自行车、汽车、高铁列车等,都可以选用碳纳米管材料。    把能量储存到碳纳米管中,类似“钢铁侠”一般的装备也将成为现实。目前,国外某实验室正牵头研发一种能够对外提供电能的新型服装。这种将碳纳米管变成纺织面料的服装,将为战场上使用的照明装置、夜视仪和通信设备等提供电力供应,势必进一步减轻单兵负担。   此外,有研究人员还通过合成碳纳米管材料,研制出一种能灵敏感知压力变化的传感器织物,可在运动训练领域发挥重要作用。人们还尝试将碳纳米管制成透明导电的薄膜,用作触摸屏的替代材料。    关于碳纳米管的未来应用还有许许多多。由于特殊的结构和介电性质,碳纳米管表现出较强的宽带微波吸收性能,是一种有着光明前途的理想微波吸收剂,可用于隐身材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。同时,研究人员畅想将碳纳米管制作成可注射入人体内的微型芯片,还计划将碳纳米管打造成能杀死人体内癌细胞的纳米机器人。