日本东京科学中心的研究团队近期报告了一种新方法，可在多铁性材料铋铁氧体中引入室温铁磁性并观测到负热膨胀现象。该方法通过对材料的铋位点和铁位点进行双重阳离子取代，改变其自旋结构，从而获得所需的磁学与热学性质。这项研究有望为开发下一代存储器件提供新的材料基础。

铋铁氧体是一种在室温下同时具有铁电性与反铁磁性的多铁性材料，但其天然的螺旋自旋结构抵消了净磁化强度，限制了其在磁性器件中的应用。研究团队采用了双重取代策略：使用自旋轨道耦合更强的4d/5d过渡金属元素取代部分铁离子，同时引入钙离子取代部分铋离子以维持电荷平衡。该研究由东京科学研究所东正树教授及住友化学公司研究员共同领导，相关成果已于2025年11月28日在线发表于《美国化学会志》。

东正树对此说明道：“我们发现，同时用钌或铱取代铁，并用钙取代铋，可以抑制螺旋调制，并在室温下产生倾斜的弱铁磁性，同时仍保持极性晶体结构。” 实验制备的化合物在室温下表现出明显的铁磁性，其矫顽力较此前基于钴取代的样品提升近四倍，这有利于未来多铁性存储器中信息存储的稳定性。

此外，双重取代还显著改变了材料的热学行为。研究发现，该方法能够降低材料失去铁电性的温度，并引发在室温附近观察到负热膨胀现象，即材料在受热时体积收缩。其中一种特定组分在6°C至147°C的温度区间内表现出约1.77%的体积收缩率。该特性对于调控电子元件中因不同材料热膨胀系数不匹配导致的问题具有潜在应用价值。

这项研究结果表明，通过精心选择取代离子的组合，可以有效调控钙钛矿氧化物的自旋结构与热行为，为设计兼具磁电耦合与热膨胀调控功能的多功能材料平台提供了新途径。东正树表示：“这些发现为设计结合磁电耦合和热膨胀控制的多功能材料开辟了新途径，并为未来的存储技术和先进结构应用提供了潜力。”

更多信息：作者 Kano Hatayama 等人，标题《在 A 位和 B 位取代的铋铁氧体中实现倾斜自旋弱铁磁性和负热膨胀》，发表于《美国化学会志》 (2025)。期刊信息： 《美国化学会志》