多铁性材料在纳米尺度上的结构和调控

Multiferroic materials at nanoscale have attracted intensive attention worldwide in recent years, which include very interesting and potentially applicable domain wall, vortex, and heterostructure systems. In this project, we investigate the energy evolution and physical properties of domain walls under the substrate epitaxial strains. We explore deeply the field effect control of multiferroic vortex under electric and magnetic fields. Also we design and search novel multiphase multiferroic materials and electronic transport devices. To fulfill these goals theoretically and computationally, we are going to carry out density functional theory calculations relying on the laws of quantum mechanics, and first-principles based effective Hamiltonian approach as well. Our project will incorporate the latest experiments, and we will collaborate closely with experimentalists from China and overseas to advance the research field through our new insights. At the same time, we will refine and develop our computational methods and theoretical understanding. Besides solving the physical problems, this project will help us lay a foundation of Chinese materials genome initiative, and establish a strong research team with expertise of nanotechnology and computational sciences.

纳米尺度上的多铁性材料近年来在世界范围内引起了广泛的关注，其中包括畴壁、涡旋和异质结构等非常有趣而又应用广阔的体系。本项目研究畴壁结构在基底外延应变下的能量演变和物理特性，深入探讨电场、磁场下的多铁性涡旋的外场调控效应，以及探索和设计全新的多相多铁性材料和电子输运器件。我们将利用量子力学第一性原理的密度泛函理论计算和基于第一性原理的等效哈密顿方法，对于上述问题进行理论和计算上的解答。本项目将会紧密结合实验上最新的报道，与国内外实验同行进行合作并提出我们新的见解，同时改进我们的计算方法和理论水平。除了解决这些具体的物理问题之外，本项目的实施将有助于我们为开展中国的材料基因工程奠定基础，建立一支拥有精通纳米技术和计算科学专长的强大人才队伍。

本课题围绕磁学和电学物理特性研究了一系列多铁性氧化物材料，其中包括目前国际上研究最为广泛的铁酸铋，钙钛矿型材料中氧八面体畸变导致的非正规铁电，以及上海大学物理系制备的多种类系列稀土正交铁氧体单晶。近年来这些磁电材料体系在全世界范围内引起了巨大的关注，其中包括课题负责人开展的铁电畴壁、涡旋和异质结构等具有应用前景的凝聚态物质。本项目研究利用基于量子力学第一性原理的密度泛函理论计算，发现了铁酸铋三种畴壁结构在基底外延应变下的能量演变和物理特性；利用晶格失配外延应变、改变稀土离子半径的化学压、以及外加静水压等，研究了稀土铁氧化物、稀土铬氧化物的结构和物性变化的理论预言。本项目同时紧密结合本单位实验上最新的磁电材料研究报道，与国内外同行进行合作并提出我们创新的见解，同时改进我们的计算方法和理论水平。在解决这些具体的物理问题之外，本项目的实施帮助我们为开展中国的材料基因工程贡献力量，建立了一支拥有精通计算凝聚态物理和材料科学专长的人才队伍。在本项目的资助下，本课题组在磁电材料的设计、制备、性能及应用研究方面，取得了一定的成果。相关研究工作已申请发明专利1项，已发表标注受本项目资助的通讯作者SCI论文共22篇，包括1篇Phys. Rev. Lett.、Adv. Funct. Mater.、Appl. Phys. Lett. 和4篇Phys. Rev. B等，以及发表标注受本项目资助的其它相关SCI论文17篇。