多铁性稀土铬氧化物微结构及自旋极化超快响应研究

As a single phase multiferroic materials, the rare earth chromium oxide system of perovskite structure RCrO3 exhibits simultaneously the presence of magnetic and ferroelectric properties in the same phase with electromagnetic coupling between them, showing a new tremendous potential for innovative device applications and magnetoelectricity sensor. However, it is unclear that the microstructure (defects, electronics division,) evolution and the impacts on the properties of these materials. On the basis of our pre-research, this proposal focuses on the work of RCrO3 as follows: (1) Explore the influence of microstructures on magnetic and electrical properties of RCrO3 by ions doping. (2) Utilizing the positron annihilation spectroscopy, analyze the microstructures (lattice structures, defects etc.) features of RCrO3. (3) Combined with the first principle calcuation, give the relationgship between the microstructures and the multiferroic properties of RCrO3, and achieve electromagnetic performance optimization by improving the experimental means to regulate the microstructure of the materials. (4) Using the magnetic resonance interaction between the magnetic field pulse of terahertz and antiferromagnetic orderes, explore the spin-polarized wave coherent control of RCrO3. And achieve the ultrafast polarization response of RCrO3. The results will provide important theoretical and experimental basis for the application of multiferroics in the spintronics devices and the ultrafast optical storage devices.

钙钛矿结构稀土铬氧化物RCrO3同时具有优异的铁电性、磁性及磁电耦合效应，在新型信息处理器及磁电传感器件等方面显示出巨大的应用前景。但此类材料的缺陷、电子分布等微结构演化特征对其磁电性能的影响机理尚不十分清楚。本项目在前期对此类铬氧化物研究的基础上，（1）通过元素替代/掺杂调控稀土铬氧化物RCrO3体系的电磁性能；（2）针对强关联体系RCrO3，提出采用正电子湮没等技术，研究RCrO3体系的缺陷和电子分布等微结构及其演化特征；（3）利用第一性原理，研究RCrO3体系的微结构与磁电性能的影响规律及结构调制机理，结合实验结果，进一步优化其磁电性能；（4）在飞秒激光脉冲诱导下，利用THz波的磁场脉冲与反铁磁有序结构磁共振相互作用，研究反铁磁结构RCrO3中自旋极化波的相干控制，实现RCrO3自旋超快响应。研究结果将为多铁性材料在自旋电子学器件、超快光存储等器件中的应用提供重要的理论和实验依据。

钙钛矿结构稀土铬氧化物RCrO3同时具有优异的铁电性、磁性及磁电耦合效应，在新型信息处理器及磁电传感器件等方面显示出巨大的应用前景。但此类材料的缺陷、电子分布等微结构演化特征对其磁电性能的影响机理尚不十分清楚。本项目利用正电子湮没技术、原位检测的变温Raman和红外光谱等并结合理论计算，进行了如下的工作：(1)通过改变压力和温度，研究压力和温度变化对体系晶体结构、微观形貌和电磁性能影响。研究结果表明，RCrO3在高温高压下具有良好的结构稳定性。压力引起的频率位移是由于原子间距离的减小以及原子间相互作用的非谐性存在所致。而声子间相互作用引起的非谐性是导致拉曼谱线宽展宽和线移的主要原因，从而导致磁晶格的改变。(2)采用不同元素对BFO掺杂，研究掺杂离子浓度、价态及占位等因素对体系晶格结构、微观形貌、缺陷浓度以及分子极化等的影响；分析了不同格位的缺陷特征对电磁性能的影响，发现了微结构对体系电磁性能的影响规律，并对此予以理论上的解释。(3)为实现利用THz波的磁场脉冲与反铁磁有序结构磁共振相互作用，探讨RCrO3自旋超快响应机制。在THz激光光源的研究方面，为了获得高功率、高能量的相干THz激光光源，开展了光泵气体THz激光光谱、激光器的理论仿真、和实验等方面的研究。构建了光泵气体THz激光动力学模型，进行了光泵气体THz激光动力学过程仿真和优化仿真研究、并对光泵气体THz激光器的性能优化研究，结果表明，本研究提出的L型光泵气体太赫兹激光器谐振腔结构具有高效性、高功率、高光束质量等优势。(4)初步探讨了室温多铁性钨青铜结构材料的电磁特性。本课题的研究结果将对RCrO3体系的多铁机理的理解提供有价值的实验资料，同时为正电子湮没技术用于多铁材料的缺陷研究方面提供例证；同时对气体太赫兹激光器的研发和应用方面也具有一定的实际意义。