大家好！今天一起来了解超细长多铁外延薄膜里的有趣现象——阴离子策略调制磁有序。话不多说，开始吧！

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景：为什么研究这个？

在电子设备的世界里，有一种材料超重要，就是钙钛矿铁电氧化物。它在磁电器件里，能让设备更稳定，还能减少能量损耗，就像给设备打了一针“稳定剂”。但从磁无序到有序的转变，一直是个大难题，科学家们都在努力攻克它。该研究就提出了一个超厉害的方法——化学硫化法，专门来解决这个难题。

钙钛矿氧化物，像ABO₃结构的这种，晶体和电子结构都很独特。它的独特结构让自旋-晶格-轨道相互作用特别敏感，在科研和工程应用上潜力巨大。不过，它也有自己的“小脾气”，内在结构带来的一些特性限制了它的发展。

以室温多铁性材料BiFeO₃为例，它有三种典型结构：菱方相、伪立方相和超四方相。菱方相是块状BiFeO₃的结构，有铁电和反铁磁特性，可早期研究时，薄膜存在漏电问题，自发极化比较低。伪立方相的BiFeO₃薄膜，在特定条件下，自发极化能大幅提高。超四方相的BiFeO₃薄膜，轴向比c/a很大，极化值也大，但它的磁有序优化一直是研究热点。

BiFeO₃属于I型多铁性材料，铁电和铁磁有序相互独立，氧阴离子在里面起着关键作用，对材料的结构和性能影响很大。之前的研究发现，通过阴离子调制能改变材料的各种特性，所以这次研究就用阴离子策略来调制BiFeO₃薄膜的磁性。

二、结果与讨论：有什么神奇的发现？

先看看结构变化。从同步辐射XRD图案能发现，T’-BFO薄膜是超四方相结构，硫化后，O-BFOS薄膜的面外衍射峰向高角度移动，说明成功硫化了，还产生了晶格应变。Φ扫描结果显示，T’-BFO薄膜和LAO衬底能很好匹配，硫化后结构对称性有变化。RSM测量发现，硫化让O-BFOS薄膜晶格结构扭曲，从单斜相变成正交相。STEM-EDX和XAS分析确认了硫元素的存在，还表明薄膜元素分布均匀，外延质量好。

再看看磁性变化。测量磁滞回线发现，硫化后的O-BFOS薄膜，饱和磁化强度和剩余磁化强度都大幅提高，磁性各向异性也变了，易磁化轴从面外转到了面内。通过零场冷却（ZFC）和场冷却（FC）曲线，算出T’-BFO和O-BFOS薄膜的磁有序温度，硫化能提高这个温度。FeL-edge的XAS和XMLD光谱直接证明了薄膜的铁磁行为、磁各向异性和易磁化轴的翻转。

那为什么会这样呢？这和电子结构变化有关。硫化让Fe离子周围的配位环境改变，从金字塔型的FeO₅结构变成八面体的FeO₆结构。XAS光谱里，FeL-edge和OK-edge的吸收峰都有变化，说明电子结构被硫化改变了。

DFT计算也表明，O-BFOS薄膜的首选磁化轴是[100]，和实验结果一致，而且硫离子掺杂增强了杂化轨道，改变了电子占据方向，影响了易磁化轴。

三、研究意义：这个研究有啥用？

这项研究它成功调制了超四方相T’-BFO薄膜的磁有序，发现了硫化增强磁有序度和旋转易磁化轴的原因，还证明了阴离子策略能调控钙钛矿氧化物的局部结构、磁有序和铁电有序。

四、一起来做做题吧

1、关于 BiFeO₃薄膜结构与性质，以下说法正确的是（ ）

A. rhombohedral 相 BiFeO₃薄膜的自发极化能达到 55 μC cm⁻²

B. pseudo - cubic 相 BiFeO₃薄膜存在漏电电流问题

C. super - tetragonal 相 BiFeO₃薄膜具有大的 c/a 比，极化值约为 150 μC cm⁻²

D. 三种相的 BiFeO₃薄膜都不具备铁磁性

2、在对 BiFeO₃薄膜进行研究时，硫掺杂对其结构产生的影响是（ ）

A. 使薄膜从orthorhombic相转变为monoclinic tetragonal相

B. 导致薄膜的晶格应变减小

C. 引起薄膜的晶相从monoclinic tetragonal相转变为orthorhombic相

D. 对薄膜的对称性没有影响

3、硫掺杂对 BiFeO₃薄膜磁性的影响不包括以下哪一点（ ）

A. 增大了薄膜的饱和磁化强度

B. 提高了薄膜的磁转变温度

C. 使薄膜的磁各向异性消失

D. 改变了薄膜的易磁化轴方向

参考文献：

Xi, G., et al. Anionic Strategy-Modulated Magnetic Ordering in Super-elongated Multiferroic Epitaxial Films. Nat Commun 16, 3526 (2025).