磁致多铁性物理与新材料设计

董帅1，向红军2

基金项目：国家自然科学基金（51322206，11274060，11104038），国家重大科学研究计划（2011CB922101, 2012CB921400）,教育部百篇优秀博士论文基金，上海市东方学者项目支持。高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20100092120032)。

作者简介：董帅（1982-），男，教授，主要研究关联电子物理与材料，包括多铁性氧化物、磁电耦合效应与器件；关联电子异质结、场效应器件. E-mail: sdong@https://www.360docs.net/doc/6412522187.html,

（1. 东南大学物理系，南京，211189； 2. 复旦大学物理系，物质计算科学教育部重点实验室，应用表面物理国家重点实验室，上

5 海, 200433）

摘要：磁致多铁材料是多铁性材料大家族中的后起之秀，其特色在于其铁电性起源于特定的磁序，因此其铁电与磁性紧密关联，具有本征的强磁电耦合效应。目前对磁致多铁性的研究以基础物理为主。随着研究者对磁致多铁现象背后物理机制认识的不断深入，不断有新的磁10 致多铁材料被设计、预言、发现，其性能也在不断地提高中。本文将简要介绍磁致多铁材料所涉及的基本物理机制，并根据这些已知的规律，回顾一下近些年寻找和设计新的磁致多铁材料的经验。

关键词：磁致多铁；Dzyaloshinskii-Moriya 作用；交换收缩；磁序诱导铁电性统一极化模型；第一性原理计算

中图分类号：O469

Physics and Design of Magnetic Multiferroics

Shuai Dong 1, Hongjun Xiang 2

(1. Department of Physics, Southeast University, Nanjing 211189, China;

20 2. Department of Physics and Key Laboratory of Computational Physical Sciences (Ministry of

Education), Fudan University, Shanghai 200433, China)

Abstract: Magnetic multiferroics belong to an important branch of the multiferroics big family. Because the ferroelectric polarizations are directly induced by particular magnetic orders, magnetic multiferroics owns intrinsic strong magnetoelectric couplings. Current research interests 25 on magnetic multiferroics are mostly focused on their fundamental physics. Benefited from the research progress of physical mechanisms, more and more new magnetic multiferroic materials have been designed, predicted, and discovered, which push forward the magnetoelectric performances. In this colloquium, we will briefly introduce the physical mechanisms involved in magnetic multiferroics, as well as the experience to design and search for new magnetic 30

multiferroics.

Key words: magnetic multiferroics; Dzyaloshinskii-Moriya interaction; exchange striction; Unified model of ferroelectricity induced by spin order; first-principles calculation

0 引言

35 从2003年BiFeO 3薄膜[1]和TbMnO 3单晶[2]揭开序幕开始，多铁性材料和物理的研究进

入了蓬勃发展时期，跻身成为关联电子大家庭中又一重要分支。但有别于其它著名分支，如高温超导是铜基、铁基化合物，庞磁电阻是锰基氧化物，多铁性材料覆盖范围非常广泛，无论是涉及的过渡金属离子（Ti 、V 、Cr 、Mn 、Fe 、Co 、Ni 、Cu 化合物都有多铁性材料），抑或涉及的晶格结构（钙钛矿结构、尖晶石结构、烧绿石结构等等），乃至丰富现象背后的

40 物理机制，都非常纷繁复杂，这既反映了关联电子体系的复杂性，又体现了物理规律的普适性[3,4,5,6,7]。

正因为多铁性的现象与机制非常丰富，研究者需要根据物理机制对多铁性材料进行分

类。例如Cheong 和Mostovoy 对铁电体进行了分类[

错误！未定义书签。]：1）常规(proper)铁电体，其中包括传统铁电体如BiTiO 3与一部分多铁材料如BiFeO 3；2）非常规(improper)铁电体，

45 其中既包含几何铁电体，也包括电荷有序型铁电体，还包括磁序导致铁电体。而Khomskii 则将上述磁序导致铁电的体系单独列为一列，称为第二类(type-II)多铁体，其余体系统统归为一类，称为第一类(type-I)多铁体，并且Khomskii 认为第二类多铁（磁致多铁）材料是目前该领域最让人激动的系列[8]。本文将沿用Khomskii 的分类，介绍磁致多铁的物理和新材料。而其它类型的多铁性材料，在本期和上(下)期其它文章中将有介绍。

50 磁致多铁材料的物理主要有三个兴趣主题：1）什么类型的磁序可以导致铁电性？其物

理机制是什么？2）为什么会有这些特殊磁序？这些磁序的动力学特征如何？3）根据上述两点，如何去寻找、设计新的磁致多铁体系？

1 磁序诱导铁电性机制

有别于第一类多铁材料中磁序与铁电序起源独立，第二类多铁材料中铁电极化直接起源

55 于特殊磁序。从对称性的角度看，铁电性破坏空间反演对称性。如果晶体结构本身满足空间反演对称，但其磁结构破坏了空间反演对称，则该磁序则有可能导致铁电极化。一般而言，这些特殊的磁序可以是：1）具有手性的非共线磁序；2）破坏宇称对称的其它磁序。我们将先简单介绍一下磁序诱导铁电性的早期理论，然后再较详细地讨论向红军等人最近提出的磁序诱导铁电性统一极化模型。

60 1.1 螺旋型自旋序

日常生活中，我们很容易注意到一些爬藤植物，其藤的缠绕方向具有固定的旋转方向，

例如牵牛花藤、葡萄藤具有右手性（逆时针）（见图1），而金银花的藤则具有左手性(顺时针）。这样的手性取决于该物种起源时的地点是北半球还是南半球。因此在方向性和手性具有一定的联系性。

65 如果自旋在空间的排布也有类似藤蔓似的螺旋结构，则也可以对应某种空间方向性。

2003年，Kimura 等人发现TbMnO3单晶在温度28K 以下具有沿着晶体c 方向的自发铁电极化，并且在外加磁场下，该极化可以完全从c 方向转到a 方向[2]。随后2005年Kenzelmann 中子实验发现了28 K 以下Mn 的磁序为bc 面的摆线（cycloid ）螺旋结构[9]。

几乎与实验同时，2005年Katsura 、Nagaosa 、Balatsky 三人提出了一套基于自旋流的理

70 论（KNB 理论）用于解释非共线的磁结构如何导致电子云的偏移，而电子云相对离子实的偏移，贡献了铁电极化[10]。KNB 理论基于d 轨道电子的紧束缚模型，考虑了自旋轨道耦合和哈伯德关联作用，将近邻离子间的电子交叠作为量子微扰来处理，具体步骤比较复杂，不过最终的结论却非常简洁明了：)(~j i ij ij S S e P ??，这儿i S 与j S 是位于i 和j 位置的两个自旋矢量，ij e 是连接i -j 的矢量，通过叉乘将这三个矢量组合起来，得到了局部的电偶极矩

75 ij P 。在KNB 的计算中，金属离子i 和j 是通过位于对称中心的氧离子连接起来的，阴阳离子没有发生相对位移，因此极化完全是由纯电子云的偏移贡献的。

图1 螺旋手性与空间反演对称性破缺。左：牵牛花的藤蔓，绕攀沿轴逆时针旋转，即左手手性。右上：

自旋在空间形成螺旋序：顺时针（上），逆时针（下）。右下：++--型磁序。

80 2006年，Sergienko 和Dagotto 提出TbMnO 3中Dzyaloshinskii-Moriya （DM ）作用[11,12]导致了非共线自旋结构，并且其反作用导致了铁电极化[13]。DM 作用可以写作)(j i ij S S D ??，

其中D

矢量取决于Mn-O-Mn 键的弯曲[12]。TbMnO 3晶格有较强的GdFeO 3畸变，环绕Mn 的氧八面体有较大的转动和倾斜，其结果就是每个Mn-O-Mn 键都不是理想立方晶格时的180

85 度，而大约是145度（ab 面内）[14]。因此对于每个Mn-O-Mn 键而言，绕连接Mn-Mn 轴的旋转对称性被破坏，自旋轨道耦合效应会产生DM 作用，D 矢量方向垂直于Mn-O-Mn 键构成的平面[12]，在一阶泰勒展开近似下，D 矢量长度正比于O 离开Mn-Mn 中心对称点的位移[13]。从DM 相互作用的叉乘形式看，DM 作用会倾向于自旋非共线，实际上很多反铁磁体系出现的自旋倾斜弱铁磁性、以及BiFeO 3中长周期螺旋结构正是由DM 作用导致的。而90 如果给定螺旋型的自旋结构，DM 作用的反作用会为了降低能量还诱导出一个整体的D

矢量，即整体的氧离子相对于金属离子的移动，这样的离子移动导致了铁电性。

对比KNB 理论和DM 作用理论，不难发现它们两者之间是如此的相似，但又似乎有点

不同。从结果上看，两套理论依赖于几乎相同的物理条件，给出完全相同的极化形式，因此在实际应用时可以不加区分。但在具体的极化成分上，两者有着不同的途径：纯电子vs 离

95 子。实际的材料中，该两者成分一般是同时存在，对于不同的体系，主次不同。2008年向红军等人[15]与Malashevich 等人[16]同时通过第一性原理计算表明在TbMnO 3中，离子移动对铁电极化的贡献占主导地位。但随后Malashevich 等人又发现这个结果会敏感地依赖于计算参数（例如哈伯德U ，螺旋面方向）的选择[17]。直到2011年Walker 等人通过实验最终证实在TbMnO 3中离子位移的贡献占主导[18]。另外，密度泛函计算表明[15]TbMnO 3中ab 面自旋

100 螺旋序电子极化比bc 面自旋螺旋序的电子极化大得多。这种极化各向异性是KNB 模型无法解释的。

除了上述两套基于微观模型的理论，Mostovoy 在2006年提出一套基于金兹堡-郎道理

论的唯象理论来描述螺旋自旋序和铁电极化之间的耦合，)()(M M M M P ??-??∝，对于螺旋自旋序，该表达式可以得到了与上述KNB 微观模型相同的形式。

105 除了TbMnO 3外，还有很多材料展现出螺旋式的磁结构，因此它们都可能是多铁性的。

但根据KNB 理论，如果是出现了螺旋桨（screw ）型螺旋结构：j i S S ?与ij e 平行，则

0)(=??j i ij S S e ，即无法导致铁电极化。但如果对这样的螺旋体系外加一个磁场，诱导出

圆锥形（conical ）型的磁序，则可以诱发出铁电极化。Tokura 研究组在铁氧体Ba 2Mg 2Fe 12O 22体系中证实了这一点，不加磁场时，基态是螺旋桨式的螺旋磁结构，通过外加磁场改造螺旋

110 桨型磁序为圆锥型磁序，观测到了磁致铁电极化[19] 。

更多关于螺旋型磁序多铁的内容，读者可以参阅Kimura 的综述[20]。

表1 KNB 理论与DM 作用理论对比。

1.2 其它非共线磁序

115 也有例外存在，在某些材料中，如CuFeO2，即使是螺旋桨型的螺旋结构(加磁场情况下)，

也出现了微弱的磁致铁电极化[21]。这意味着有其它内在的机制。后续的研究发现自旋轨道耦合除了上述DM 作用外，还可以在其它非共线自旋体系中导致铁电极化[22,23]，例如∑?=i

i e e S P 2)([错误！未定义书签。],其中S 是金属离子自旋矢量，i e 是金属-阴离子键的方向。这样的铁电极化来源于单金属离子与周围阴离子的p-d 轨道杂化，也是由自旋轨道耦合导致

120 的。目前，虽然有一部分人认为CuFeO 2的多铁性是由于这个机制导致的。然而，由于Fe 离子本身是一个反演中心，所以这个机制实际上不能导致一个非零极化：2221,61,3(){()[

()]()}0.

i i i i i i i i P S e e S e e S e e ===?=?+?--=∑∑ 1.3 ++--型共线磁序

上述非共线磁序导致铁电极化虽然机制新颖，但均是基于自旋轨道耦合效应。众所周知，

125 自旋轨道耦合效应对于3d 电子并不是很强，因此注定该机制导致的铁电极化很微弱。TbMnO 3和DyMnO 3作为代表性材料，具有最大的铁电极化，也不过大约在0.1-0.3 μC/cm 2，而其它体系的铁电极化更是要弱很多。

2007年，Sergienko 、?en 、Dagotto 另辟蹊径，预言了具有E 型反铁磁的正交晶格HoMnO 3

具有1-2 μC/cm 2量级的铁电极化[24]，虽然这样的极化仍然小于传统铁电体（10-100 μC/cm 2），

130 但仍然是磁致多铁极化的一大进步。HoMnO 3中自旋是共线（近邻自旋平行或反平行）结构，其对应的磁电机制是交换收缩(exchange striction)机制。在晶格的ab 面内，自旋形成Z 字型（zigzag ）的反铁磁排列。沿着任意一个最近邻Mn-O-Mn 直线方向看，均是++--型的共线磁距（见图1）。随后Picozzi 等人通过第一性原理计算进一步预言了HoMnO 3的极化可高达6 μC/cm 2[25]。

135 从对称性看，++--型磁结构破坏了宇称对称性，简而言之，任选一个离子，其左边的近

邻和右边的近邻从磁性上看并不相同。再结合晶格、电荷分布的周期性，该磁序就可能导致

铁电极化。例如在E型反铁磁HoMnO3中，为了增强双交换作用，++或者--的Mn-O-Mn键会拉的比+-的Mn-O-Mn键直。结合GdFeO3型氧八面体的扭动，这样的交换收缩导致了整140

体的铁电位移。

图2 (a) DM作用+螺旋磁序导致铁电极化示意图。M为金属离子，通过O离子连接起来。D矢量的方向取决于O离子相对M-M中心的偏移方向（D12：出；D23：入）。（b）E型反铁磁共线自旋序导致的交换收缩机制示意图。正负号代表自旋关联Si*Sj。在(a-b)中虚线表示磁致氧离子相对的偏移，即铁电极化。(c) 145

金属离子-阴离子d-p杂化机制导致铁电极化示意图。pi表示每个键的极化。黑线代表总极化。

随着实验制备样品技术和测量手段的提高，实测的E型反铁磁体R MnO3(R=Ho, Y, Tm .....)的铁电极化已经达到1 μC/cm2量级，渐渐地接近了理论预言值[26,27]，这也充分证明了理论计算在磁致多铁领域的重要性。

150

2008年，Choi等人在Ca3CoMnO6体系中发现了交换收缩导致的铁电性[28]，其机制和E 型反铁磁相似。Ca3CoMnO6是准一维的Co-Mn自旋链结构,其中Co和Mn相间排列，具有++--型的磁序。这种磁结构破坏了宇称对称性，再结合Co-Mn的交替性，则破坏了空间反演对称。导致了部分Co-Mn距离发生了收缩，部分Co-Mn距离发生了拉长。而Co和Mn 离子带有不同的电荷，这样的离子移动总体上导致了铁电极化。Zhang等人通过第一性原理155

计算发现其具有非常大（~1-2 μC/cm2）的铁电极化[29]，但迄今为止实验上观测到的铁电极化却非常小（~0.01 μC/cm2），其中原委可能与其++--磁序不稳定有关，下一节将作进一步讨论。

类似的交换收缩机制还存在于有机材料中，例如Kagawa在四硫富瓦烯-p-四溴代苯醌也发现了磁致多铁性，并且其具有相当可观的铁电极化，低温下可达0.2 μC/cm2[30]。

160

1.4磁序诱导铁电性的统一极化模型

从上面的讨论可以看出，虽然目前已有科学家提出了一些模型来解释磁序诱导铁电性。

然而这些模型还存在一些问题。已有模型的缺陷主要包括：（1）已有的理论（包括KNB 模型，自旋依赖的p-d杂化模型，交换收缩模型）不能解释三角格子体系（如CuFeO2）的165

多铁性；（2）KNB模型不能正确描述体系的极化各向异性；（3）DM作用离子位移模型

采用了非常简化的弹性能模型，并且只考虑了阴离子的位移，而第一性原理计算表明实际上有的体系（如TbMnO 3[错误！未定义书签。]）阳离子位移也同样重要；（4）已有的模型分别考虑了离子位移贡献或纯电子贡献，然而有的体系两种贡献同样重要，甚至同一个体系的不同自旋态诱导极化的机制不同（如TbMnO 3[

错误！未定义书签。]）。因此，需要发展同时有机地包含纯电子贡献和离子位移贡献，并且能准确地描述纯电子贡献和离子位移贡献的统一极化模170

型。

2011年以来，向红军等人提出了一个用来描述磁序诱导铁电性的统一极化模型[31, 32]：自旋序诱导的铁电极化包含两部分（见图3）：12(,,

,; 0)()t e m ion P P S S S U P U ≈=+，这里i S 表示磁性离子的自旋，12(,,

,)=n U u u u 表示离子相对参考结构（一般是高温中心对称结构）的位移。其中纯电子部分e P 描述自旋序引起的电荷重新分布而诱导的铁电极化，

175 离子位移部分()ion P U 描述自旋-晶格耦合导致的离子位移而导致的铁电极化。从对称性出发，对于自旋序诱导的铁电极化的纯电子部分，向红军等人提出了普适性极化模型：认为磁性离子对的电子极化是这两个磁性离子自旋的二次函数（21212

e i i i i P P S S P S S αβαβαβαβαβαβ==+∑∑∑），其中第一项是只与单个自旋有关的单格点项（intra-site ），而第二项是与两个自旋都有关的格点间项（inter-site ）。格点间项主要贡

180 献有两种：一种是与自旋轨道耦合无关的对称交换收缩项[121212()ex es P P S S =?]，

另一种是自旋轨道耦合导致的一般性自旋流项[12()sc i j P S S =?M ，其中M 是一个33?的矩阵]。需要指出的是，KNB 模型只是该模一般性自旋流模型的特例：此时23320=-≠M M ，而其他矩阵元为0。向红军等人的理论提出的单格点项具有最一般的二次项的形式，而自旋依赖的p-d 杂化模型是该模型的特例。对称性分析表明，如果自旋对存在反演中心，则对称交换收缩项

185 为0；如果自旋格点本身就是对此中心，则不存在单格点项。

图3 自旋序诱导铁电极化的普适性统一模型。总铁电极化包含纯电子贡献和离子位移贡献两部分，

而纯电子贡献和离子位移贡献分别由三部分构成。

190 为了得到极化的离子位移贡献，需要计算由于自旋序导致极性离子位移。一般地，自旋

-晶格耦合体系的总哈密顿包含两部分：12()(,,,;)ph spin m H H U H S S S U =+。()ph H U 是与自旋无关的声子弹性能部分，而spin H 是自旋相互作用哈密顿，包含对称交换相互作用，反对称DM 相互作用，和单离子各向异性项：

,()()()()spin ij i j ij i j i i i i j i H J U S S D U S S A U S S αβαβαβ

<>=

?+??+∑∑。 195 由于自旋相互作用参数 [如()ij J U ] 依赖于离子位移，因而spin H 包含了自旋-晶格耦合项。通过求解总哈密顿，可以计算出特定磁序下的离子的极性位移。然后利用玻恩有效电荷（Z ），可以得到极化的离子位移贡献：,()ion i i

P U u Z ααα=∑。这个统一模型具有两个优点：它可以揭示离子位移贡献的微观机理；它是线性标度的，可以非常快速地计算出自旋诱导的总铁电极化。

200 上述自旋序诱导铁电性的普适模型包含一些极化系数矢量（i P αβ，ij es P ，M 等）和自旋相互作用参数对位置的一阶微分（如ij

k J u α??）。为了确定这些与材料结构相关的本征量，向

红军等人提出了“四态法”[错误！未定义书签。]。所谓“四态法”就是选择四个特殊的磁性态，利用密度泛函理论计算这四个磁性态的物理量（如总能量、原子受力、电子极化等），然后将第一性原理结果映射到极化模型，确定极化模型里的本征量，得到基于第一性原理的

205 可计算极化模型，使得该模型可以应用到实际的体系从而为研究复杂多铁性体系的铁电微观机理提供了有效手段。

结合上述新模型和第一性原理方法，向红军等人研究了三角格子体系多铁性的根源[32]。

与以前人们普遍认为的单格点项是三角格子体系多铁性的根源不同，该理论发现格点间的一般性自旋流项是最主要的。该一般性自旋流理论解释了所有自旋螺旋体系的铁电性，而KNB

210 模型是该理论的一个特例。向红军等人认为KNB 模型考虑的线形模型过于简化了，而一般性自旋流理论可以正确描述各向异性体系的铁电极化。该模型预言自旋螺旋序的手性反转会导致极化变号，与实验结果一致。考虑自旋对的实际局域结构以后，利用紧束缚方法可以得到与第一性原理相似的结果。日本科学家实验上在Skyrmion 晶体Cu 2OSeO 3体系中发现了多铁性。然而，这个体系的多铁性的微观机理不清楚。通过第一性原理计算和自旋导致极化模

215 型相结合发现，向红军等人发现共线的亚铁磁态的铁电极化是由于自旋轨道耦合导致的单自旋项导致的，与一般的多铁性体系极化是由于自旋对相互作用导致的不同。向红军的模型预言极化正比于总磁矩的平方，与实验结果正好相符。该工作首次系统地研究了导致铁电极化的单格点项[33

错误！未定义书签。]。 2 特殊磁序的起源

220 如上文所述，只有很特殊的磁结构才能破坏空间反演对称，导致铁电极化。那一个很基

本的问题就是，怎么才能获得这样特殊的磁结构？了解其背后的物理机制，有助于寻找和设计新的磁致多铁材料。

决定磁结构有很多因素，包括晶格结构、离子配位数、以及费米能级附近的电子结构。

在强关联的氧化物体系，多种相互作用竞争使得物理问题相当的复杂，经常会涉及多种（磁

225 性相关）相互作用的竞争，也正是这些复杂的竞争，导致了诸多奇特的现象，其中就包括各种奇特的磁结构。

一般而言，上述多铁性的磁结构均介于理想的铁磁与理想的反铁磁之间，因此可以认为

是铁磁到反铁磁的一种中间过渡状态。以一维Ising 经典自旋链为例（图2(a)-(b)），只考虑

最近邻交换作用J 1，哈密顿量为∑>

230 的自旋同向；如果J 1>0，则基态是Nèel 型反铁磁，即所有近邻自旋对均为反向排列。但如果在此基础上引入次近邻的交换作用J 2，则体系则可能出现新的磁性，当J 2>|J 1|/2时，体系的基态变成了++--结构的磁性，这正是上述Ca 3CoMnO 6中的磁结构。如果该链中自旋是海森堡型，当J 2>-J 1/4>0，则会出现周期为2π/acos[-J 1/(4J 2)]的螺旋磁序。

235 图4 近邻J 1-次近邻J 2磁性作用示意图。(a)一维自旋链；(b) 二维方格子，次近邻沿着对角线方向；(c)一

维Ising 自旋链基态相图。+/-代表自旋上/下。其中++--型磁结构有可能是多铁性的。

这样的简单模型可以定性地描述如何获得一些多铁性的磁结构，但实际材料体系要复杂

的多。体系中可能有若干相互竞争的交换作用J ，以及单离子磁各向异性，DM 相互作用，并且这些相互作用通常与晶格自由度耦合在一起。2011年向红军等人发展了一套从第一性

240 原理到经典海森堡模型映射的方法，可以从密度泛函理论计算出发，获得具体材料体系的各种自旋相互作用参数[34]，这将有助于探索具体的材料体系中复杂的磁结构。

具体到材料，目前被研究较多的是钙钛矿结构的R MnO 3的磁结构，通过量子的双交换

模型[35]，或者基于经典自旋的模型[36,37]，在引入次近邻的交换作用之后，都可以不同程度地模拟出和实际材料类似的磁相图：随着R 离子的缩小，体系从A 型反铁磁（面内铁磁），

245 进入螺旋磁序区，最后进入E 型反铁磁区，而后两者是多铁性的。除了模型计算，通过第一性原理计算，可以得到TbMnO 3体系中近邻、次近邻Mn 之间的交换作用J 和DM 作用系数D [错误！未定义书签。]。

除了静态的磁相图，经典自旋模型在考虑了一系列相互作用之后，可以模拟出螺旋型磁

序的动力学性质-电磁振子(electromagnon)[38]。类似的研究还包括对多铁性R Mn 2O 5的经典自

250 旋模型的模拟[39]，具体内容读者可以参加本（上/下)期其它作品。

理论上磁结构研究较多的体系是Ca 3CoMnO 6，第一性原理计算表明其中++--型反铁磁

和+-+-型反铁磁的能量非常接近，并且Co 离子具有较大的轨道角动量[29,40]。因为Ca 3CoMnO 6体系是由于交换收缩机制导致的铁电极化，理论计算表明其饱和铁电极化应该非常可观[

错误！未定义书签。]，但实验上至今观测到的铁电极化却非常微弱[错误！未定义书签。]。而且奇怪的是，实验上

255 发现只有当Co 和Mn 偏离理想的1:1时，体系的++--长程序才得以建立，而当化学配比为理想的1:1时，长程磁序却被破坏并且对应的铁电极化微弱[41]。这一点可能和Ca 3CoMnO 6体系中自旋链之间的耦合失措有关，还有待进一步研究。

3寻找、设计新磁致多铁材料

260

根据近十年研究总结出来的物理规律，研究者在一直在努力寻找、设计新的磁致多铁性材料，以期克服原有材料工作温度低，铁电极化小，磁性弱等缺点。

3.1筛选新体系

265

根据上文所述规律，磁交换作用的竞争导致了那些可以破坏空间反演对称性的磁序，但另一方面，这样的竞争引起了磁失措，降低了磁有序的温度，因此磁致多铁性的工作温度一般都很低。研究者通过以下几个途径可以去尽量克服该弱点。2008年Kimura等人精心筛选出CuO体系。CuO是高温超导铜氧化物的母体，具有准二维的结构和很强的磁交换作用，即很大的J，并且在210-230 K的温度区间出现了螺旋式的磁序，诱发了铁电极化[42]。这个270

发现一下子将磁制多铁的温度大大提高，虽然其工作温区还很窄，极化也很小，但其影响是深远的，极大的鼓舞了研究者寻找高温磁致多铁的信心。随后Kimura和Tokura研究组分别在传统的强磁性材料铁氧体系列中找到了工作温区较高，甚至室温以上的多铁材料[43,44]。但铁氧体的晶格结构相当复杂，其中的磁电机制可能是非共线磁距导致的铁电极化。

除了这些实验上的进展外，理论研究也预言了不少可能的磁致多铁性材料。例如R NiO3 275

体系具有类似于E型反铁磁的磁序，被第一性原理预言具有多铁性[45]，但至今尚未获实验证实。BaMnO3以及应力作用的的SrMnO3虽然不是原汁原味的磁序导致的铁电性，但其磁序通过交换收缩机制可以影响极化的大小，第一性原理计算做出了这样的预言[46,47]，并得到了后续实验的证实[48]。第一性原理还预言了半掺杂锰氧化物La0.5Ca0.5MnO3具有多铁性，其机制和CE型磁性与电荷有序有关[49]，但至今还没得到实验证实。

近年来一个受关注的新磁致多铁体系是四重钙钛矿型CaMn7O12。2009年，董帅等人通280

过双交换模型计算在1/4掺杂锰氧化物相图中预言了一种新型的多铁相，即正交条纹相，其具有复杂的条纹状非共线结构，其中铁电极化的起源既有DM作用，也有交换收缩，其复杂磁结构的机制不同于传统的次近邻次交换收缩，而是来源于电子的自组装，因此可能具有相对R MnO3较高的磁转变温度（约100K）[50]。随后的研究将正交条纹相推广到了其他公度285

掺杂比例(1/2,1/3,1/4.....)，这一系列的条纹相具有非常奇特的性质，例如宏观简并性、降维性等等，已经超越了多铁研究的范畴[51]。

但实验上要实现这样的相，条件却异常的苛刻，需要非常小的锰氧化物晶格，但Jahn-Teller畸变必须弱，并且要尽量避免无序效应。但通常的掺杂锰氧化物都不可避免有无序效应，并且一般小晶格的锰氧化物对应的Jahn-Teller畸变也较大。但即使如此，四重钙钛290

矿型CaMn7O12具有最接近该要求的性质。2011年董帅、刘俊明等人实验证实了CaMn7O12确实具有磁致多铁性，并且多铁性温度为90 K[52]，随后Johnson等人用单晶测得铁电极化高达0.285 C/cm2，是当时在块材体系中观察到的最大磁致多铁极化[53]。中子散射揭示了CaMn7O12的磁结构，非常复杂，目前只能解析出其90-45 K温度区间的磁结构[错误！未定义书签。]。

由于A位也存在磁性的离子Mn3+，其磁结构也不同于最初理论动机的条纹相。Johnson等295

人认为其对应了一种新型的磁致多铁机制，被称为铁轴型多铁[错误！未定义书签。]。随后向红军等人通过第一性原理计算研究了CaMn7O12，认为其中铁电极化主要贡献来源于交换收缩，并且该体系具有很大的DM作用，决定极化的方向[54]。

3.2改造“旧”体系

除了寻找“新”磁致多铁材料，通过深入研究“旧”材料，可以设计出新的磁致多铁性。300

例如DyMnO3，类似其近亲TbMnO3，最初的研究已经很清楚的解释了Mn的螺旋磁序是导致其铁电的起源。但随后更深入细致的研究，发现其实Dy-Mn磁距之间的交换收缩机制同样贡献了铁电极化，因此DyMnO3一种材料中包含了两种磁致铁电的机制，这也是为什么DyMnO3中具有较大的铁电极化的原因[55]。类似的机制还发生在正交结构的HoMnO3，虽然前人的研究认为其是E型反铁磁结构，但Cheong研究组对偶然得到的一块HoMnO3单晶研305

究却发现了不同的结果，Mn的磁距并没有形成与晶格周期公度的E型反铁磁，而是非公度的正弦调制型，因此Ho与Mn之间的交换收缩导致铁电极化[56]。因此对于HoMnO3，研究者还需要进一步检查其磁结构。这样的A位稀土磁性离子与B位过渡金属离子耦合导致的铁电性在R FeO3系列中体现的最为突出，甚至有研究表明SmFeO3的磁致多铁转变温度可以高达600多K[57]，这无疑是非常振奋人心的结果，但有待进一步的实验理论验证。

另外，模型计算还认为螺旋型R MnO3体系中，对于ab平面螺旋序，除了DM作用外，310

交换收缩也会贡献出一部分铁电极化，这可能是R MnO3在所有的螺旋自旋序的多铁中，铁电极化较大的缘故[错误！未定义书签。]。

虽然体态TbMnO3具有很强的磁电耦合效应，但是，对于实际应用来说，它存在致命的缺陷：过小的电极化强度和过低的奈尔温度。由于外延性应力可以大大改变物质的特性，因315

此，向红军等人从理论上提出用外延性生长薄膜的办法来改善TbMnO3的多铁性质[58]。通过理论研究发现，在较大的外延拉应力的情况下，TbMnO3薄膜会进入一种新的多铁态。相对于体态TbMnO3来说，这种新的多铁态的电极化增大了两个数量级，而且它的奈尔温度也大大提高了，从原来的28K提高100K左右。更为重要的是，对于这种新的多铁态来说，它的铁电畴和反铁磁畴紧密地相互锁定在一起的。研究表明，通过外电场作用，这种新的多铁320

态可以从一种状态转换到另一种状态，因此TbMnO3薄膜是实现磁电耦合多功能的良好平台。

注：本文作为邀稿综述，将发表在《物理》2014年第43卷第2期“多铁性材料” 专题中。

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复合材料

高分子复合材料结课论文石墨烯复合材料制备和应用进展学院：材料学院班级：高分子12-1班姓名：苏庆慧学号：1201130724

石墨烯复合材料制备和应用进展摘要:石墨烯和碳纳米管都是纳米尺寸的碳材料，具有极大的比表面积、良好的导电性以及优秀的机械性能等特性。选择合适的方法制备出石墨烯/碳纳米管复合材料，它们之间可以产生一种协同效应，使其各种物理化学性能得到增强，因而这种复合材料在很多领域有着极大的应用前景。以石墨烯/碳纳米管复合材料为综述对象，详细地介绍了它的制备、掺杂和应用等方面的进展，同时也对其发展前景进行了展望。这种复合材料不仅被成功地应用在电容器、光电器件、储能电池、电化学传感器和其它领域，而且也会在这些领域内深化并向其它领域延伸。关键词石墨烯；碳纳米管；复合材料；制备；应用 Abstract：Graphene and carbon nanotubes are nanometer-sized carbon materials with the characteristics of the great specific surface area，good electrical conductivity and excellent mechanical properties。Selecting appropriate methods to prepare graphene/carbon nanotube composites can generate a synergistic effect between them with many physical and chemical properties enhanced，and these composites have a great future in many areas。In this paper，some kinds of preparation methods about graphene/carbon nanotube composites were described in detail，such as chemical vapor deposition，layer by layer deposition,electrophoretic deposition，vacuum filtration，coating membrane and in situ chemical reduction method。The advantages and disadvantages of these methods were compared as table format。To further enhance the functions，the graphene/carbon nanotube composites were doped with other materials such as polymer materials，nanoparticles，metal oxide to achieve the purpose of modification。Some researchers proposed theoretical computer model design for some special composites structures such as three-dimensional columnar structure and spiral structure to improve the performance of composites。Meanwhile，the applications of composites in supercapacitor，a photoelectric conversion device，energy storage batteries，electrochemical sensors and other fields were discussed in detail。These applications fully proved that composites had a brighter future than pure graphene or carbon nanotube。In addition，the developments of composites are prospected。Preparations of grapheme/carbon nanotube composites are maturing，but

浅谈大学物理实验教学设计

浅谈大学物理实验教学设计【摘要】大学物理实验是高等院校理工科学生必修的一门重要基础课。在提高学生的科学素质、培养学生的创新精神和实践能力中具有特殊的作用。实施新型实验教学方式已成为大学物理实验教学改革和实践的热点。本文对大学物理实验教学模式进行研究对该实验教学模式中的“完善实验教学设计”进行了详细分析。【关键词】大学物理实验；创新能力；教学模式物理学是一门实验科学，是物理学的基础。凡是物理学的概念、规律及公式都是以客观实验为基础的，即物理理论绝不能脱离物理实验的验证。大学物理实验作为大学生进校后的第一门科学实验课程，不仅应让学生受到严格的、系统的实验技能训练掌握科学实验的基本原理、方法和技巧，更主要的是要培养学生严谨的科学思维能力和创新精神，培养学生理论联系实际、分析和解决实际问题的能力，特别是与科学技术发展相适应的综合能力。因而实验教学应该面对时代的发展、科技进步的新趋势和新挑战不断有所改变和创新。只有这样才能适应社会对人才知识和科学素质越来越高的要求[1]。为了搞好大学物理实验教学，教师必须重视和研究实验教学。首先，要进行完善的实验教学设计，确定明确的实验目标；其次，要提供开放的实验环境和及时的辅导，让学生不断自主地进行实验探索并获得成就感；再次，要充分利用现代教育媒体和信息技术手段，提高实验教学效率加强教师与学生的互动，激发学生对实验的探索兴趣和重视[2-3]。本文对如何完善实验教学设计结合我院大学物理实验的教学模式进行研究和探讨。大学物理实验教学是消化理论知识验证知识的过程它有助于锻炼和提高学生的实验方法和技能。随着科学技术的不断进步和发展物理实验将在学生的知识、能力和素质的培养方面发挥越来越重要的作用。 1 以素质教育为目的，建立物理实验课程新体系课程体系重新设置的重点是：加强基础，重视应用，培养能力，提高素质，把“知识、能力、素质”三要素贯穿整个实验教学改革过程。实验课程体系的设计必须让学生系统掌握物理实验的基本知识、基本方法和基本技能，打好基础；同时还必须与现代科学技术接轨，现代科技成果与经典课程内容相互渗透，是在对实验课程体系改革时应充分给以关注的问题。 2 授课对象起点分析《大学物理实验》课程是针对全体工科专业开设，开设时间在大学第二、三学期。学生为地方高考青年学生，已经具备了比较扎实的科学文化基础。经过大学第一学期物理课程的学习，学生掌握了大学物理的一般规律和一般物理实验的基本原理，对常见物理现象具有感性认识和一般的理性理解。本科学生总体知识水平较好，但动手能力一般，实操经验不强，对《大学物理实验》课程的学习大

物理创新设计实验报告大学物理

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大学物理实验设计性实验方案

普通物理实验设计性实验方案实验题目：简单显微镜的设计班级：物理学2011级（2）班学号：2011433175 姓名：唐洁指导教师：陈广萍凯里学院物理与电子工程学院2013 年3月

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多铁性物理-东南大学

多铁性：物理、材料及器件专题编者按作为凝聚态物理与材料物理的前沿分支之一,多铁性研究脱胎于磁电耦合的研究.固体中磁电耦合的概念最初由居里先生提出,至今已有一百多年.在漫长的历史长河中,磁电耦合领域的研究曾经在冷战时期短暂热闹过一阵,但随后是漫长的冷寂期.日内瓦大学的老先生Hans Schmid在磁电耦合领域坐了半辈子冷板凳,在1994年提出了多铁体(multiferroics)这个概念.九年之后,该领域研究才真正引起广泛关注.2003年以BiFeO3薄膜的大铁电极化和TbMnO3单晶的磁控电这两大突破作为里程碑,该领域快速蹿红,吸引了大量研究者的瞩目.在接下来的几年中,研究者在该领域迅速取得了若干重要突破性成果.2007年底美国《科学》杂志遴选了七个下一年度重点关注领域(Areas to Watch),多铁体荣幸入选,并且这是凝聚态物理/材料物理方向唯一入围者. 但出乎意料,2008年铁基超导的异军突起与拓扑绝缘体的系列突破迅速抢占了凝聚态物理/材料物理大舞台的主角位置,掩盖了多铁体的光彩.因此最近十年来多铁领域的研究变得相对平淡.但即使在这样的平淡岁月中,仍然有一群研究者一直在这个领域坚持耕耘,默默地将该领域一步步向前推进.实际上,这个领域在过去十年的发展并不孤独,而是逐渐和物理的各分支（包括理论物理、凝聚态物理、材料物理、光物理、器件物理等）交叉融合.因此当前的多铁领域研究已经涵盖了从基础物理理论,到具体材料体系,再到器件应用等多个方面. 受《物理学报》责任编缉古丽亚的委托,我邀请了国内若干活跃在该领域前沿的中青年专家撰稿,合成这样一期以短篇综述为主的专辑,较为全面和深入地介绍该领域已取得的部分成果以及最新进展.从研究内容上,可大致分为两类:一是,探索多铁性材料和揭示其物理规律;二是,探索多铁性异质结、器件和应用.第一类研究的综述包括(以下排名按投稿先后): 1)Ruddlesden-Popper结构杂化铁电体(浙江大学刘小强、陈湘明等);2)低维铁电材料(南京理工大学阚二军等);3)激发态电荷输运有机多铁体(南京理工大学袁国亮等);4)异常双钙钛矿多铁氧化物(中山大学李满荣等);5)四倍体钙钛矿多铁氧化物(中国科学院物理研究所龙有文等);6)非常规铁电钙钛矿氧化物(上海大学任伟等);7)铋层状多铁氧化物单晶薄膜(中国科学技术大学翟晓芳、陆亚林等).第二类研究的综述包括:1)多铁性磁电异质结及器件(清华大学赵永刚等;西安交通大学胡忠强、刘明等;南京理工大学汪尧进等);2)压电单晶磁电复合薄膜(中国科学院上海硅酸盐研究所郑仁奎等);3)铁电光伏效应(苏州大学蔡田怡、雎胜);4)钙钛矿薄膜的多铁性与氧空位调控(南京航空航天大学杨浩等);5)微纳尺度电场驱动磁翻转(华南师范大学高兴森等).除了短篇综述外,还有三篇研究论文,在此就不细述.希望这个专题能够为国内多铁性及相关领域研究的学术交流做一些贡献. (客座编辑东南大学物理学院董帅)

多铁性磁电材料应用于存储技术的研究现状

硅酸盐学报硅酸盐学报 · 1792 · 2011年多铁性磁电材料应用于存储技术的研究现状施科，何泓材，王宁 (电子科技大学微电子与固体电子学院，电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都 610054) 摘要：多铁性磁电材料同时具有铁电性、铁磁性和磁电效应等多种性能，它为新功能存储器件的设计提供了可能性。主要综述了多铁性磁电单相和复合材料在存储技术领域的应用研究，包括基于多铁性磁电材料设计的“电写磁读”多铁性磁电存储器、多态存储器以及基于多铁性磁电材料设计双稳态储存器件的新原理和新思路；介绍了多铁性磁电材料在存储读头技术方面的应用；并将基于多铁性磁电材料的存储器与其他几种存储器作了简单比较；最后就多铁性磁电材料的存储技术发展面临的挑战进行了总结和归纳。关键词：多铁性磁电材料；存储器；读头；铁电性；铁磁性中图分类号：TB34；TP333 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2011)11–1792–08 网络出版时间：2011–10–25 10:49:06 DOI ：CNKI:11-2310/TQ.20111025.1049.014 网络出版地址：https://www.360docs.net/doc/6412522187.html,/kcms/detail/11.2310.TQ.20111025.1049.014.html Recent Progress in Application of Multiferroic Magnetoelectric Materials on Storage Technology SHI Ke ，HE Hongcai ，WANG Ning (State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, School of Microelectronics and Solid-State Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China ) Abstract: Since multiferroic magnetoelectric (ME) material has ferroelectric, ferromagnetic and magnetoelectric properties, it is pos-sible to use this material for the design of storage device. Recent development on the application of single-phase or composite ME material on storage technology was reviewed. The areas were magnetoelectric random access memories (MERAM) with electric writing and magnetic read, magnetoelectric multiple-state storages, other new storages with novel working principles and ME read heads. In addition, the storage devices based on ME materials were compared with other different storage devices, and the challenges with the storage technology were summarized. Key words: multiferroic magnetoelectric material; storage device; read head; ferroelectricity; ferromagnetism 在器件微型化、功能需求多样化的现代生活和生产中，多功能智能材料成为人们关注的焦点，多铁性磁电材料[1–4]是其中的典型代表。这种材料不仅兼具铁电性和铁磁性，而且还具有铁电性/铁磁性之间的耦合性能，如通过外加电场能够改变材料的磁极化[5]或磁阻[6]，施加磁场产生电极化的磁电效应[7]，磁场下介电常数发生变化的磁介电效应[8]等，可大大开拓材料应用范围。不仅在传统的传感器[9]、存储器[10–11]、微波器件[12–13]等器件领域可以得到应用，还可以利用其同时具备铁电、铁磁、磁电等多种性质于一体，进一步增加微电子器件设计的自由度，设计出对电、磁、力都响应的集成器件。如今，多铁性磁电材料已成为智能材料与器件方向的研究热点，正受到越来越多研究者的关注[14–17]。随着信息技术的高速发展，要求存储技术提供速度更快，容量更大，功耗更低，体积更小，寿命更长，可靠性更高的存储器[18]。传统的半导体工艺技术已经逐渐逼近物理极限，难以大幅度提高存储器的性能。要想有突破性的进展，就必须另辟蹊径，寻找新材料或新的原理和方法。多铁性磁电材料同收稿日期：2011–05–10。修改稿收到日期：2011–06–28。基金项目：国家自然科学基金(51002020)；中央高校基本科研业务费专项资金(ZYGX2009J033)资助项目。第一作者：施科(1987—)，男，硕士研究生。通信作者：何泓材(1980—)，男，博士，副教授。 Received date: 2011–05–10. Approved date: 2011–06–28. First author: SHI Ke (1987–), male, graduate student for master degree. E-mail: she.ki@https://www.360docs.net/doc/6412522187.html, Correspondent author: HE Hongcai (1980–), male, Ph.D., associate pro-fessor. E-mail: hehc@https://www.360docs.net/doc/6412522187.html, 第39卷第11期 2011年11月硅酸盐学报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 39，No. 11 November ，2011

大学物理实验设计性实验液体折射率测定

评分：大学物理实验设计性实验实验报告实验题目：液体折射率测定班级：姓名：学号：指导教师：

《液体的折射率测定》实验提要实验课题及任务《液体的折射率测定》实验课题任务方案一：光从一种介质进入另一种介质时会发生折射现象，当入射击角为某一极值（掠射）时，会产生一特殊的光学现象，能同时看到有折射光和无折射光的现象，就可以实现液体折射率的测量。学生根据自己所学的知识，并在图书馆或互联网上查找资料，设计出《液体的折射率测定》的整体方案，内容包括：（写出实验原理和理论计算公式，研究测量方法，写出实验内容和步骤)，然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果，按书写科学论文的要求写出完整的实验报告。设计要求 ⑴通过查找资料，并到实验室了解所用仪器的实物以及阅读仪器使用说明书，了解仪器的使用方法，找出所要测量的物理量，并推导出计算公式，在此基础上写出该实验的实验原理。 ⑵选择实验的测量仪器，设计出实验方法和实验步骤，要具有可操作性。 ⑶测量5组数据，。 ⑷应该用什么方法处理数据，说明原因。 ⑸实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。实验仪器分光仪、钠光灯、毛玻璃与待测液体实验提示掠入射法测介质折射率的原理如图示3-1所示。将待测介质加工成三棱镜，用扩展光源（用钠光灯照光的大毛玻璃）照明该棱镜的折射面AB，用望远镜对棱镜的另一个折射面AC进行观测。在AB界面上图中光线a、b、c的入射角依次增大，而c光线 i。在棱镜中再也不可能有折射角为掠入线（入射角为 90），对应的折射角为临界角 c i的光线。在AC界面上，出射光a、b、c的出射角依次减小，以c光线的出射角大于 c 'i为最小。因此，用望远镜看到的视场是半明半暗的，中间有明显的明暗分界线。证

设计性物理实验-黑盒子实验

西北工业大学设计性基础物理实验报告班级：11051401 姓名：日期：2016.05.06 黑盒子实验一、实验目的 1、学习使用示波器对黑盒子中电学元件进行判别及估算； 2、培养设计检测步骤和综合分析推理的能力。二、实验仪器（名称、型号及参数） TDS1001B波形输出器示波器电阻箱电容箱导线黑盒子三、实验原理黑盒子里的元件可能是干电池、定值电阻、电容器、半导体二极管、电感器等，各元件链接在接线端，元件之间可能是并联、串联。使用如下电路图：信号发生器输出正弦波信号电压输入；R0取适当值；CH1测量取样电阻箱两端电压；CH2检测信号发生器输出电压；虚线框内的i\j表示黑盒子面板上的接线柱，实验观测中i端对应信号发生器输出正端。假设信号发生器输出正弦波信号幅度为A0、频率为f，各元件检测判断过程如下： 1.电阻元件示波器CH1通道显示U R为正弦波，幅度A< A0，若f变化A不变。 2.电容示波器CH1通道显示U R为正弦波，幅度A< A0，若f变化A也变化，且f和A同变

化。 3.电感示波器CH1通道显示U R为正弦波，幅度A< A0，若f变化A也变化，且f和A变化不同步。 4.二极管示波器CH1通道显示U R为半波，并可由脉冲向上还是向下判断二极管的正负极。 5.电池先用示波器判断有无电池，此时示波器为直流。四、实验内容与方法黑盒子1 黑盒子1有四个接线柱，每两个接线柱之间最多连接一个元件，盒内三个元件可能是电池、电阻、电容、电感或半导体二极管。按一定顺序连接各个接线柱，用示波器测量信号发生器和取样电阻箱两端电压，记录示波器波形；调节信号发生器频率，观察记录A的变化。黑盒子2 黑盒子2内含有三个电磁学元件，组成三角形连接方式。接线柱1、2之间为X，接线柱2、3之间为Y，接线柱1、3直接为Z。按照与黑盒子1相同的方法确定各个接线柱之间的电磁学元件，之后测量三个电磁学元件的数值。将黑盒子内电阻与取样电阻串联可以测得黑盒子内电阻的数值；将黑盒子内电容与取样电容并联可以测得电感、电容的数值。五、实验数据记录与处理（列表记录数据并写出主要处理过程）黑盒子1 将测量接线柱1、2，调节示波器测量方式为直流，此时无现象，说明黑盒子内无电池。调解示波器测量方式为交流，测量接线柱两端：（显示均为正弦波） 1、2 CH2显示在1.68V左右，CH1显示在1.12V左右，高频低频下状态相同。 1、3

大学物理设计性实验设计性实验报告

大学物理实验设计性实验 --电位差计测金属丝电阻率姓名：马野班级：土木0944 学号： 0905411418 指导教师：曹艳玲实验地点：大学物理实验教学中心

【实验目的】 1. 了解电位差计的结构，正确使用电位差计； 2掌握电位差的工作原理—补偿原理。 3能用电位差计校准电表和电阻率的测定。 4学习简单电路的设计方法，培养独立工作的能力。【实验原理】利用电位差计，通过补偿原理，来测定未知电阻和已知电阻两端的电压，利用分压原理，算出未知电阻的阻值，利用螺旋测微器和刻度尺测出电阻丝的长度和横截面积的直径，通过电阻率公式即可计算出电阻率。补偿原理在图1的电路中，设E 0是电动势可调的标准电源，Ex 是待测电池的电动势（或待测电压Ux ），它们的正负极相对并接，在回路串联上一只检流计G ，用来检测回路中有无电流通过。设E 0的内阻为r 0；Ex 的内阻为 rx 。根据欧姆定律，回路的总电流为：电位差原理如果我们调节E 0使E 0和Ex 相等，由(1)式可知，此时I =0，回路无电流通过，即检流计指针不发生偏转。此时称电路的电位达到补偿。在电位补 R R r r E E I g x x +++-= 00 图1 补偿原理 x

偿的情况下，若已知E 0的大小，就可确定Ex 的大小。这种测定电动势或电压的方法就叫做补偿法。显然，用补偿法测定Ex ，必须要求E 0可调，而且E 0的最大值E 0max ＞Ex ，此外E 0还要在整个测量过程中保持稳定，又能准确读数。在电位差计中，E 0是用一个稳定性好的电池（E ）加上精密电阻接成的分压器来代替的，如图2所示。图2中，由电源E 、限流电阻R 1以及均匀电阻丝RAD 构成的回路叫做工作回路。由它提供稳定的工作电流I 0，并在电阻RAD 上产生均匀的电压降。改变B 、C 之间的距离，可以从中引出大小连续变化的电压来，起到了与E 0相似的作用。为了能够准确读出该电压的读数，使用一个标准电池进行校准。换接开关K 倒向“1”端，接入标准电池E S ，由E S 、限流电阻R 2、检流计G 和RBC 构成的回路称为校准回路。把B 、C 固定在适当的位置（如图中的位置），设RBC =R S ，调节R 1（即调节I 0），总可以使校准回路的电流为零，即R S 上的电压降与E S 之间的电位差为零，达到补偿。图2 电位差计原理图 x

多铁性材料BiFeO3的制备及其掺杂改性的研究(可编辑)

多铁性材料BiFeO3的制备及其掺杂改性的研究（可编辑）多铁性材料BiFeO3的制备及其掺杂改性的研究单位代码: 10293密级: 硕士学位论文论文题目 : 多铁性材料 BiFeO 的制备及其掺杂改性研究 3 1010030913 学号王希望姓名李兴鳌导师光学学科专业光电子功能材料、性质和器件研究方向理学硕士申请学位类别 2013.02.26 论文提交日期I multiferroic properties of co-substituted BiFeO 3 nanoparticlesThesis Submitted to Nanjing University of Posts and Telecommunications for the Degree ofMaster of Master of Science By Xiwang Wang Supervisor: Prof. Xing’ao LiFebruary 2013II南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的

任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实,愿意承担一切相关的法律责任。研究生签名:_____________ 日期:____________南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档;允许论文被查阅和借阅;可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索; 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。论文的公布(包括刊登)授权南京邮电大学研究生院办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名:____________ 导师签名:____________ 日期:_____________III 摘要 BiFeO 是一种非常有应用前景的钙钛矿型多铁性功能材料,由于本身存在很多缺陷限制 3 了现实中的应用,其中最大的问题就是材料本身的多铁性能太弱, 距离应用的要求差距还很大。如何提高 BiFeO 材料的多铁性能成为目前亟待解决的问题。本文期望通过掺杂方法以期 3 得到高性能的 BiFeO 材料。 3

大学物理综合设计性实验(完整)

综合设计性物理实验指导书黑龙江大学普通物理实验室

目录绪论实验1 几何光学设计性实验实验2 LED特性测量实验3 超声多普勒效应的研究和应用实验4 热辐射与红外扫描成像实验实验5 多方案测量食盐密度实验6 多种方法测量液体表面张力系数实验7 用Multisim软件仿真电路实验8 霍尔效应实验误差来源的分析与消除实验9 自组惠斯通电桥单检流计条件下自身内阻测定实验10 用迈克尔逊干涉仪测透明介质折射率实验11 光电效应和普朗克常数的测定液体电导率测量实验12 光电池输出特性研究实验实验13 非接触法测量液体电导率

绪论一．综合设计性实验的学习过程完成一个综合设计性实验要经过以下三个过程： 1．选题及拟定实验方案实验题目一般是由实验室提供，学生也可以自带题目，学生可根据自己的兴趣爱好自由选择题目。选定实验题目之后，学生首先要了解实验目的、任务及要求，查阅有关文献资料（资料来源主要有教材、学术期刊等），查阅途径有：到图书馆借阅、网络查询等。学生根据相关的文献资料，写出该题目的研究综述，拟定实验方案。在这个阶段，学生应在实验原理、测量方法、测量手段等方面要有所创新；检查实验方案中物理思想是否正确、方案是否合理、是否可行、同时要考虑实验室能否提供实验所需的仪器用具、同时还要考虑实验的安全性等，并与指导教师反复讨论，使其完善。实验方案应包括：实验原理、实验示意图、实验所用的仪器材料、实验操作步骤等。 2．实施实验方案、完成实验学生根据拟定的实验方案，选择测量仪器、确定测量步骤、选择最佳的测量条件，并在实验过程中不断地完善。在这个阶段，学生要认真分析实验过程中出现的问题，积极解决困难，要于教师、同学进行交流与讨论。在这种学习的过程中，学生要学习用实验解决问题的方法，并且学会合作与交流，对实验或科研的一般过程有一个新的认识；其次要充分调动主动学习的积极性，善于思考问题，培养勤于创新的学习习惯，提高综合运用知识的能力。 3．分析实验结果、总结实验报告实验结束需要分析总结的内容有：（1）对实验结果进行讨论，进行误差分析；（2）讨论总结实验过程中遇到的问题及解决的办法；（3）写出完整的实验报告（4）总结实验成功与失败的原因，经验教训、心得体会。实验结束后的总结非常重要，是对整个实验的一个重新认识过程，在这个过程中可以锻炼学生分析问题、归纳和总结问题的能力，同时也提高了文字表达能力。在完成综合性、设计性实验的整个过程中处处渗透着学生是学习的主体，学生是积极主动地探究问题，这是一种利于提高学生解决问题的能力，提高学生的综合素质的教学过程。在综合设计性实验教学过程中学生与教师是在平等的基础上进行探讨、讨论问题，不要产生对教师的依赖。有些问题对教师是已知的，但对学生是未知的，这时教师应积极诱导学生找到解决问题的方法、鼓励学生克服困难，并在引导的过程中帮助学生建立科学的思维方式和研究问题的方法。有些问题对教师也是一个未知的问题，这时教师应与学生共同思考共同解决问题。二．实验报告书写要求实验报告应包括：1实验目的；2实验仪器及用具；3实验原理；4实验步骤；5测量原始数据；6数据处理过程及实验结果；7分析、总结实验结果，讨论总结实验过程中遇到的问题及解决的办法，总结实验成功与失败的原因，经验教训、心得体会。三．实验成绩评定办法教师根据学生查阅文献、实验方案设计、实际操作、实验记录、实验报告总结等方面综合评定学生的成绩。（1）查询资料、拟定实验方案：占成绩的20%。在这方面主要考察学生独立查找资料，并根据实验原理设计一个合理、可行的实验方案。（2）实施实验方案、完成实验内容：占成绩的30%。考察学生独立动手能力，综合运用知识解决实际问题的能力。（3）分析结果、总结报告：占成绩的20%。主要考察学生对数据处理方面的知识运用情况，分析问题的能力，语言表达能力。（4）科学探究、创新意识方面：占成绩的20%。考察学生是否具有创新意识，善于发现问题并能解决问题。（5）实验态度、合作精神：占成绩的10%。考察学生是否积极主动地做实验，是否具有科学、

大学物理设计性实验

大学物理设计性实验学院: 专业: 班级: 姓名: 学号: 日期:

准确度高、使用方便，测量结果稳定可靠，还常被用来精确地测量电流、电阻和校正各种精密电表，在现代工程技术中电子电位差计还广泛用于各种自动检测和自动控制系统。本实验通过用电位差计对电阻的测定，掌握电位差计的使用。 (一)实验目的:

1.理解电位差计的工作原理，掌握电位差计的使用方法。 2.能用电位差计测定电阻率。 3.学习简单电路的设计方法，培养独立工作的能力。 (二)实验原理: 1.补偿法测电动势: 用电压表测量电源电动势E X ，其实测量结果是端电压，不是电动势。因为将电压表并联到电源两端，就有电流I 通过电源的内部。由于电源有内阻r ，在电源内部不可避免地存在电位降I r ，因而电压表的指示值只是电源端电压（U =E X -I r ）的大小，它小于电动势。显然，只有当I=0时，电源的端电压U 才等于电动势E X 。图1补偿法原理图怎样才能使电源内部没有电流通过而又能测定电源的电动势呢？在图1所示的电路中， E X 是待测电源。0E 是电动势可调的电源，E X 与0E 通过检流计并联在一起。调节0E 的大小，当检流计不偏转，即电路中没有电流时，两个电源的电动势大小相等，互为补偿，即E X =0E ，电路达到平衡。若已知平衡状态下0E 的大小，就可以确定E X ，这种测定电源电动势的方法，叫做补偿法。 2．电位差计原理: 电位差计就是应用补偿法的原理将待测电动势与标准电势进行比较而进行测量的。其原理如图2.7.2所示，它由两个回路组成，上部ERBAE 为工作回路，下部为补偿回路。当有一恒定的工作电流I 流过电阻R 时，改变滑动头C 、D 的位置，就能改变C 、D 间的电位差V CD 的大小，测量时把滑动头C 、D 两端的电压V CD 引出与未知电动势进行比较。为了使R 中流过的电流是工作电流I ，先将开关K 接通DGE N CD 回路，根据标准电势E N 的大小，选定C 、D 间的电阻为R N ，使 E N = I 错误！未找到引用源。R N （1）调节R 改变工作回路中的电流，当检流计指零时，R N 上的电位降恰与标准电势E N 相等。由于E N 和R N 都已知，这时工作回路中的电流就被准确地校准到所需要的I 值，即错误！未找到引用源。（2）

大学物理实验设计性实验方案.123333333doc

大学物理实验设计性实验方案实验题目：音叉声波的干涉班级：物理学2011级（2）班学号：2011433196 姓名：赵得芳指导教师：粟琼凯里学院物理与电子工程学院 2013 年5月

前言用橡胶锤敲击音叉，声波将向空间的各个方向传播形成声场。由于音叉产生的声波在空间中将会发生干涉现象，因此在音叉的周围将会出现声音强弱的分布区域，并且将会呈现出一定的规律。音叉分为两股它的两股以同样的频率做开合运动。每一股都将带动它的内外两侧气体形成疏密波，因而音叉振动时可以认为每股两侧各有一个声源而且这两个声源是反相的。按照声学的分析方法，应该区分近场区和远场区，对近场区音叉的每一股的内外两个侧面可以近似视为活塞式声源组成的声柱; 而对远场区，任何声源都可以近似视为球源由于近场区声源性质十分复杂本文以下将只讨论远场区。一、实验目的 1.了解音叉声场的产生原理。 2.探究音叉声场的规律。二、实验原理音叉的叉股只能抽象为通常的面波源或特殊的平面波源和点波源，因此纵波干涉的规律是不可能直接应用于音叉干涉情况的! 那么音叉周围存在的声波干涉，也就应该能够通过这些波源振动发出声波的叠加来加以解释。 1.只考虑内侧面s 1,s 2 振动时声波的叠加情况。

图 1 当内侧面s1、s2振动发声时，远场区的综合波完全可以等效为一个由特殊点波源振动发出的波，如图1所示，其波动方程为： x s=A s(r,θ)cos[ω(t-r/v)+φ] 其中，A s(r,0)，A s(r,π) 最小，A S（r, π/2）、A S(r,3π/2)最大。 2.只考虑外侧面S/1,S/2振动发声时声波的叠加情况。

大学物理实验课程设计实验报告

大学物理实验课程设计实验报告大学物理实验课程设计实验报告北方民族大学大学物理实验实验报告指导老师：王建明姓名：张国生学号：XX0233 学院：信息与计算科学学院班级：05信计2班重力加速度的测定

一、实验任务精确测定银川地区的重力加速度二、实验要求测量结果的相对不确定度不超过5% 三、物理模型的建立及比较初步确定有以下六种模型方案：方法一、用打点计时器测量所用仪器为：打点计时器、直尺、带钱夹的铁架台、纸带、夹子、重物、学生电源等. 利用自由落体原理使重物做自由落体运动.选择理想纸带，找出起始点0，数出时间为t的p点，用米尺测出op的距离为h，其中t=秒×两点间隔数.由公式

h=gt2/2得g=2h/t2，将所测代入即可求得g. 方法二、用滴水法测重力加速度调节水龙头阀门，使水滴按相等时间滴下，用秒表测出n个水滴所用时间t，则每两水滴相隔时间为t′=t/n，用米尺测出水滴下落距离h，由公式h=gt′2/2可得g=2hn2/t2. 方法三、取半径为r的玻璃杯，内装适当的液体，固定在旋转台上.旋转台绕其对称轴以角速度ω匀速旋转，这时液体相对于玻璃杯的形状为旋转抛物面重力加速度的计算公式推导如下：取液面上任一液元a，它距转轴为x，质量为m，受重力mg、弹力n.由动力学知： ncosα-mg=0

nsinα＝mω2x 两式相比得tgα=ω2x/g，又tgα=dy/dx，∴dy=ω2xdx/g， ∴y/x=ω2x/2g.∴g=ω2x2/2y. .将某点对于对称轴和垂直于对称轴最低点的直角坐标系的坐标x、y测出，将转台转速ω代入即可求得g. 方法四、光电控制计时法调节水龙头阀门，使水滴按相等时间滴下，用秒表测出n个水滴所用时间t，则每两水滴相隔时间为t′=t/n，用米尺测出水滴下落距离h，由公式h=gt′2/2可得g=2hn2/t2. 方法五、用圆锥摆测量