铋系钙钛矿型多铁体磁电耦合起源的理论研究

Bismuth (Bi) based perovskite oxides, such as Bismuth ferrite (BiFeO3，BFO) are rather rare multiferroic materials working at room temperature. The magnetism and ferroelectricity of these materials, however, are long thought to have different origins. Consequently, they are regarded as weak magnetoelectric materials and therefore the efforts to study their magnetoelectric effect are very limited. Our recent study show that in antiferromagnetic materials the short range superexchange interaction indeed favors ferroelectricity. Therefore, in BFO the magnetism may be strongly coupled with ferroelectricity. This also explains a series of interesting phenomena observed experimentally, e.g., the antiferromagnetic easy axis is strongly coupled with ferroelectric polarizations. In this project, we will carry out systematic theoretical studies, including density functional theory based first-principles calculations, dynamic mean field theory calculations, Monte Carlo simulations and model analysis, to specify how exactly magnetism contribute to the Bi related perovskite multiferroics. Most importantly, we will study the influence of spin-orbital interaction to their property, then we can determine the mechanism of the magnetoelectric coupling in these materials. Our project is not only important to unveil different origins of ferroelectricity, understand and then control the magnetoelectric coupling in antiferromagnetic materials, but also is significant to the realistic application of Bi based perovskite multiferroics.

以铁酸铋（BiFeO3，BFO）为代表的铋系钙钛矿氧化物是为数不多的能工作在室温下的多铁体。然而在此类材料中，传统上认为其铁电性和磁性具有不同起源，因而不会具有很强的磁电耦合，所以目前对其磁电耦合效应研究的投入十分有限。我们最近的研究表明，在反铁磁材料中，超交换作用是有利于体系形成铁电相的，因而在BFO中，磁性很有可能和铁电性紧密关联，而这也能解释目前在该类材料中观察到的一些奇特实验现象，如BFO中反铁磁易磁化轴和电极化方向强烈耦合等。在本项目中，我们拟通过系统的理论研究，包括基于密度泛函的第一性原理计算、动态平均场理论、蒙特卡洛模拟及模型解析等手段，确定磁性对铋系钙钛矿型多铁体的铁电性的贡献，并将重点研究自旋轨道耦合效应对该类材料物性的影响，从而确定其中的磁电耦合机理。该研究对探索铁电性的不同起源，理解和控制反铁磁材料中的磁电耦合，以及将铋系钙钛矿型多铁体推向实用化具有重要意义。

以铁酸铋（BiFeO3，BFO）为代表的铋系钙钛矿氧化物是为数不多的能工作在室温下的多铁体。然而传统上认为该类材料中铁电性和磁性具有不同起源，因而不会具有很强的磁电耦合。本项目对该类材料的磁电耦合起源进行了系统研究，取得了如下相关研究成果：1、我们发现磁性体系中近程磁交换作用有利于诱导铁电性；2、具有孤立电子对的体系(如PbTiO3)中A位离子p电子对铁电形成影响很大，而如果不考虑弛豫孤立电子对却对体系的总极化起负贡献，而且影响相对较小；3、在理论研究基础上，制备出高质量的Bi2FeMnO6双钙钛矿超晶格结构，即在（111）方向上实现了Fe和Mn离子的交替排列，并发现了自旋玻璃和铁电相共存的有趣现象。本研究颠覆了之前对BFO类材料磁电起源的理解，对探索铁电性的不同起源，理解和控制反铁磁材料中的磁电耦合，以及将铋系钙钛矿型多铁体推向实用化具有重要意义。