金属有机骨架材料弹性性能及多铁性研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着社会的发展和研究的不断深入，以及多铁性材料的广泛的应用前景，科学家们对多铁性材料的兴趣越来越强。p.curie早在1894年就通过对材料的对称性分析,推测出诱导磁化可以在某些材料的电场中发生[1]。dzyaloshinskii在1959年时预言了cr2o3存在磁电效应,随后astrov证实了这一预言，第一个磁电耦合材料诞生。在2000年时,hill在论文《为什么磁性铁电体如此稀少》中详细论述了磁性和铁电性天生具有互斥性，从而导致了磁性铁电体难以产生[2]。

由于磁性和铁电性互斥，因此需要一种新的物理机制来使它们可以在一种材料中的共存甚至是耦合。研究表明利用磁性离子与铁电性离子来构成原胞就能实现两者共存。bifeo3材料就是其中的典型,其中fe3 离子具有磁性,bi3 离子提供6s2孤对电子,具有铁电性。2003年时,ramesh的小组制备出了高质量的bifeo3外延薄膜,并从中发现了很高的铁电极化强度,强度与传统铁电体相仿[3]。到2009年,cheong的小组成功合成了大块高质量的bifeo3单晶,进一步证明了这种材料拥有很高的铁电极化强度[4]。同在2003年,kimura和tokura等人发现tbmno3单晶具有铁电性,并且其铁电极化方向可以在磁场的控制下从晶体c方向翻转到a方向[5]。随后，中子散射实验发现,tbmno3中mn3 离子的自旋在低温下形成摆线螺旋结构。这种螺旋磁结构破坏了空间反演对称性,导致了铁电极化。dm（dzyaloshinskii-moriya）作用的反过程导致离子位移与电子云的偏移[6]。但dm作用的反过程很弱,制约了螺旋自旋多铁体中的铁电极化强度。除了电极化强度小和磁性弱外,多铁性材料普遍存在工作温度低的缺点。kimura等人在cuo和sr3co2fe24o41等材料中实现了突破,其cuo多铁转变温度超过200k，而sr3co2fe24o41则在室温下表现出低场磁电效应[7]。

与此同时，近几年很多科学家都把目光放在了金属-有机骨架材料（metalorganicframeworks,mofs）上。金属—有机骨架材料主要由芳香酸或碱的氮，氧多齿有机配体，通过配位键与有机金属中心杂化形成的立体网络结构晶体，因此又被称为多孔配位聚合物。可以在广泛的范围内选择不同的金属离子和各种有机配体进行聚合，从而设计出具有不同孔道结构和化学特性的mofs材料。虽然mofs材料已存在多年，但直到90年代末，美国的yaghi研究组和日本的kitagawa研究组才合成了具有稳定孔结构的mofs材料。与传统多孔材料相比，mof材料具有种类多，功能性强，孔隙率比表面积大，晶体密度小，孔尺寸可调控性强，生物相容性等优势。常见的mofs材料有zif系列材料，cpl系列材料，mil系列材料等[8]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1.基本内容

1、相变研究：差示扫描量热法研究多铁性金属有机骨架材料[(ch3)2nh2][m(hcoo)3]（m=ni,cu）的相变。

2、弹性性能与多铁性研究：共振超声波谱法研究多铁性金属有机骨架材料[(ch3)2nh2][m(hcoo)3]（m=ni,cu）的弹性性能和多铁性。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献，完成英文文献翻译。明确实验过程，了解并准备实验所需材料。确定技术方案，完成开题报告。

第4-7周：利用dsc确定多铁性金属有机骨架材料的相变温度，利用rus进行多铁性金属有机骨架材料的弹性性能测试，并进行相应的数据处理。

第8-10周：研究金属有机骨架材料的的多铁性，即铁电/铁弹/铁磁性。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]刘俊明，南策文. 多铁性十年回眸 [J]. 物理, 2014, 43：88-91.[2]Hill N A. Why are there so few magnetic ferroelectrics [J] .The Journal of Physical Chemistry B, 2000, 104(29):6694-6709.[3]Wang J ,Neaton JB,Zheng H, et al. Epitaxial BiFeO3 multiferroic thin film heterostructures[J] .Science， 2003, 299（5613）：1719-1722.[4]Choi T，Lee S， Choi YJ，et al. Switchable Ferroelectric Diode and Photovoltaic Effect in BiFeO3[J]. Science， 2009, 324（5923）：63-66.[5]Kimura T, Goto T, Shintani H, et al. Magnetic control of ferroelectric polarization[J].Nature, 2009, 426(6962): 55-58.[6]Katsura H, Nagaosa N, Balatsky AV, et al. Spin current and magnetoelectric effect in noncollinear magnets[J]. Physical Review Letters, 2005, 95(5): 057205.[7]Kitagawa Y, Hiraoka Y, Honda T, et al. Low-field magnetoelectric effect at room temperature[J]. Nature Materials, 2010, 9(10): 797-802.[8]仲崇立,刘大欢,阳庆元. 金属-有机骨架材料的构架关系和设计[M].科学出版社，2011.[9]Okada K, Sugie H. Cholinergic agents related to para-sleep state in acute brain stem preparations[J]. Journal of the Physical Society of Japan, 1968, 25:1128.[10]Jain P., Dalal N.S., Cheetham A.K., et al. Order-disorder antiferroelectric phase transition in a hybrid inorganic-organic framework with the perovskite architecture[J]. Journal of the American Chemical Society, 2008, 130(32):10450-10451.[11]Jain P.，Ramachandran V.， Clark R. J., et al. Multiferroic behavior associated with an order-disorder hydrogen bonding transition in Metal-Organic Frameworks (MOFs) with the perovskite ABX3 architecture [J]. Journal of the American Chemical Society, 2009，131：13625-13627.[12]Cui H.B., Takahashi K., Okano Y., et al. Dielectric properties of porous molecular crystals that contain polar molecules [J]. Angewandte Chemie International Edition, 2005, 44(40)6508-6512.[13]Zhang W, Cai Y, Xiong RG, et al. Exceptional dielectric phase transitions in a perovskite-type cage compound[J]. Angewandte Chemie International Edition 2010, 49(1) 6608-6610.[14]Guo M, Cai HL, Xiong RG., et al. Ferroelectric metal organic framework (MOF)[J], Inorganic Chemistry Communications, 2010, 13(12):1590–1598.[15]Thomson R.I., Jain P., Cheetham A. K., et al. Elastic relaxation behavior, magnetoelastic coupling, and order-disorder processes in multiferroic metal-organic frameworks[J]. Phyical Review B, 2012, 86(21):214304.[16]Li W ，Zhang ZY，Bithell E. G., et al. Ferroelasticity in a metal–organic framework perovskite towards a new class of multiferroics[J]. Acta Materialia, 2013, 61(20): 4928–4938.[17]Zhang ZY， Li W, Carpenter MA，et al. Elastic properties and acoustic dissipation associated with a disorder–order ferroelectric transition in a metal–organic framework[J]. CrystEngComm, 2015, 17(2): 370-374.

[18]Maczka M., Ptak M., Kojima S. Brillouin scattering study of ferroelectric transition mechanism in multiferroic metal-organic frameworks of [NH4][Mn(HCOO)3] and [NH4][Zn(HCOO)3] [J]. Applied Physics Letters, 2014, 104: 222903.[19]Li W., Thirumurugan A., Barton P. T., et al. Mechanical tenability via hydrogen bonding in metal-organic frameworks with the perovskite architecture [J]. Journal of the American Chemical Society, 2014, 136: 7801.[20]Wang W.，Yan L. Q.，Cong J., et al. Magnetoelectric coupling in the paramagnetic state of a metal-organic framework [J]. Scientific Reports, 2013，3：2024.[21]Tian Ying，Stroppa A. Cross coupling between electric and magnetic orders in a multiferroic metal-organic framework [J]. Scientific Reports，2014, 4:6062.