科学网—中国科学院上海硅酸盐所、伦敦玛丽女王大学、切斯特大学：高熵设计实现M型六角铁氧体太赫兹波段巨法拉第旋转效应-清华大学出版社学术期刊的博文

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2026-11-9 09:35

| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流

原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊

Cite this article:

Hu Z, Nie H, Yang B, et al. Large terahertz faraday rotation in high entropy M-type hexaferrites. Journal of Advanced Ceramics , 2026, 15: 9221400. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221400

文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221400

ResearchGate ： Large terahertz faraday rotation in high entropy M-type hexaferrites

基金支持：

本工作得到国家自然科学基金青年基金 C 类（ 12404116 ）、博士后面上（ 2024M763408 ）的资助。

一、 导读

太赫兹非互易光子器件亟需兼具强法拉第旋转与优良磁性能的磁光材料，但传统 M 型六角铁氧体的太赫兹法拉第旋转角普遍偏低，且适用波段窄，熵增强该体系的法拉第旋转效应相关研究尚属空白。本研究设计并制备了高熵 M 型六角铁氧体 (Ca 0.2 Sr 0.2 Ba 0.2 Pb 0.2 La 0.2 )Fe 12 O 19 (HEM) ，在保持六方单相结构的同时，实现了室温饱和磁化强度约 53.5 emu/g 、 0.2 THz 处法拉第旋转角约 105°/mm 的巨磁光响应，较纯 SrFe 12 O 19 提升了 1.3 倍。该工作首次实验证实了熵工程调控 M 型六角铁氧体太赫兹磁光性能的有效性，为新一代磁光隔离器与磁传感器提供了材料新方案。

二、 研究背景

六角铁氧体凭借高磁晶各向异性和优异磁性能，广泛应用于存储器件、通信天线、微波吸收、传感器和光隔离器等领域。其中 M 型六角铁氧体（ MeFe 12 O 19 ， Me 为 Sr 、 Ba 、 Pb 、 Ca 等阳离子）结构相对简单，沿 c 轴具有强单轴磁各向异性，是微波 / 太赫兹非互易器件的理想候选材料。

法拉第旋转效应是线偏振光在平行于传播方向的磁场中传播时偏振面发生旋转的磁光现象。现有法拉第旋转研究多集中于微波和红外频段，介于两者之间的太赫兹频段研究相对匮乏。此前观测法拉第效应需施加外磁场，成本高且系统复杂；近年发展的零磁场改性太赫兹时域光谱（ THz-TDS ）方法为磁化材料法拉第旋转测量提供了便利。众多报道均表明 M 型六角铁氧体具有较为优异的磁光特性，纯 SrFe 12 O 19 的法拉第旋转角约 45°/mm ，施主 Nb 5+ 掺杂可提升 SrFe 12 O 19 的法拉第旋转角至 ~75°/mm ，但上述磁光材料应用带宽较窄，磁光性能仍有较大的优化空间。

高熵设计自合金领域提出后，已拓展至氧化物、碳化物、氮化物等材料体系，是一种高效调控材料功能的手段。高熵磁氧化物因复杂晶体结构与局部无序磁矩，可显著调控其关键磁学参数。目前，高熵六角铁氧体的太赫兹法拉第旋转研究尚未见系统报道，该类材料的磁光性能认识仍不完整，值得深入研究。

三、文章亮点

(1) 设计并制备高熵 M 型六角铁氧体：在 Me Fe 12 O 19 M 型六角铁氧体的 Me 位点引入五种等摩尔比的金属离子（ Ca ， Sr ， Ba ， Pb ， La ），实现构型熵约 1.6 R 。实验证实熵工程可显著增强 M 型六角铁氧体的太赫兹法拉第旋转效应。

(2) 磁性能与磁光性能的协同提升： HEM 陶瓷室温饱和磁化强度约 53.5 emu/g 、剩余磁化强度约 26.3 emu/g ，优于多种低熵 M 型六角铁氧体； 0.2 THz 处 HEM 的左旋和右旋折射率差值达到 1.75 ，显著优于掺杂硅、 Bi:RIG 、 La:YIG 等传统磁光材料。

(3) 揭示 “ 超交换增强 + 畴壁密度提升 ” 双机制：拉曼光谱表明高熵 Me 位设计增强 2b 位点的 Fe-O 键伸缩振动，强化 Fe 3+ (2b)–O 2- –Fe 3+ (2b) 超交换作用； MFM 观察到高密度细化条纹磁畴及磁响应，畴壁密度增加；结合缺陷调控与各向异性晶粒生长，协助提升其磁性与磁光响应。

四、研究结果及结论

1 、相结构与微观结构

室温 XRD 所有衍射峰与 M 型六角铁氧体标准卡片吻合， Rietveld 精修收敛拟合结果确认 HEM 陶瓷为单相六方结构（空间群 P 6 3 / mmc ）。明场 TEM 图像显示典型针状晶体形貌， HRTEM 晶面间距 0.29 nm 对应 (110) 晶面。

图 1 HEM 陶瓷的室温 XRD 、 Rietveld 精修结果，明场和高分辨 TEM 图像。

2 、化学态与局域结构

联合利用 XPS 、拉曼、 FTIR 和 MFM 等技术对 HEM 陶瓷的组成元素和局域结构进行进一步研究。 XPS 确认 HEM 组分中 Fe 2+ 、 Fe 3+ 离子共存，伴随氧空位产生。拉曼光谱中 682.6 cm -1 最强峰对应 2b 位 Fe-O 键伸缩振动，其显著增强有望支持 Fe 3+ (2b)-O 2- -Fe 3+ (2b) 超交换作用增强； FTIR 图谱表现出典型 Fe-O 四面体和八面体的响应。 MFM 观察到明暗交替的条纹磁畴，磁响应明显，高构型熵引起的小尺寸磁畴应具有更高畴壁迁移性，利于外场下畴翻转和磁化性能提升。

图 2 HEM 陶瓷的 Fe2p 、 O1s XPS 图谱，室温拉曼， FTIR 以及 MFM 图像。

3 、磁性能与法拉第旋转效应

ZFC/FC 、变温 M-H 回线以及改性 THz-TDS 测试结果均表明 HEM 陶瓷具有优异的磁和磁光性能。 HEM 在室温呈典型硬铁磁行为，方形比 M r / M s = 0.49 ，略低于 0.5 ，代表其具有多畴磁结构；矫顽场约 1850 Oe ，显著低于低熵组分，表明其畴翻转壁垒降低、畴壁迁移性增强，与 MFM 数据呼应。 0.2 THz 处， HEM 右旋与左旋圆偏振光的折射率差 Δn' 约 1.75 ，计算得到非互易偏振旋转角约 105°/mm ，显著优于传统 SrFe 12 O 19 、掺杂硅、 Bi:RIG 和 La:YIG 等磁光材料。

图 3 HEM 陶瓷的介电温谱、 ZFC/FC 、变温 M-H 曲线及太赫兹波段的法拉第旋转效应。

该工作表明，高熵设计是同步提升 M 型六角铁氧体材料磁性与磁光性能的有效策略。为铁氧体性能优化提供了新范式，有望推动新一代磁传感器与光隔离器发展。

五、作者及研究团队简介

胡子萌（第一作者） ，中国科学院上海硅酸盐研究所助理研究员，主要从事铁电、多铁等功能陶瓷材料研究。

Yang Bin （通讯作者） ，英国切斯特大学教授，博导，主要从事太赫兹光谱技术研究。

晏海学（通讯作者） ，英国伦敦玛丽女王大学材料工程学院 Reader ，博导，主要从事无铅铁电、多铁及热电材料研究。

王根水（通讯作者） ，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博导，主要从事先进功能陶瓷材料与器件研究。

作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：

1 ） Hu Z, Koval V, Zhang H, et al. Enhanced piezoelectricity in Na and Ce co-doped CaBi 4 Ti 4 O 15 ceramics for high-temperature applications. Journal of Advanced Ceramics , 2023, 12(7): 1331-1344. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220754

2 ） O’Malley CJ, Tang X, Koval V, et al. Unveiling the mechanism of substitution-induced high piezoelectric performance in PLZT ceramics. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(7): 9221097. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221097

3 ） Xu M, Xie M, Shi M, et al. Lead-free multilayer ceramic capacitors featuring ultrahigh remanent polarization and excellent thermal stability for high-power force-electric energy conversion. Journal of Advanced Ceramics , 2026, 15(8): 9221345. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221345

《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊， 清华大学 主办， 清华大学出版社有限公司 出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 、 WJCI 等数据库收录。现为月刊， 2025 年发文量为 202 篇； 2026 年 6 月发布的 SCI 影响因子为 14 ，连续 6 年位列 Web of Science 核心合集 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 34 种同类期刊第 1 名； 2026 年 2 月发布的 WJCI 影响因子为 15.350 ，位列 “ 陶瓷学 ”26 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选 “ 中国科技期刊卓越行动计划二期 ” 英文领军期刊项目； 2026 年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社有限公司自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来 “ 借船出海 ” 的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508

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