钙钛矿型材料中磁电耦合的第一性原理研究

Multiferroics are materials in which the long range (anti)ferromagnetic and ferroelectric ordering coexist. Multiferroics have attracted great attention recently, because of their potential applications in novel multifunctional devices. It has recently been found that there is strong polar phonon-spin coupling in magnetic Perovskite material CaMnO3, which may be used to design novel, strong coupling multiferroic materials. In this project, we will study the magnetoelectric coupling in Perovskite materials using first-principles calculations, including：1. Clarify the microscopic origin of the strong polar phonon-spin coupling in CaMnO3 etc.; 2. Search for novel magnetoelectric coupling mechanism in multiferroic Perovskite superlattices,and paths to improve the magnetic ordering temperature and magnetoelecgtric coupling strengths; and 3. The physical properties of multiferroic Perovskite superlattices under electric and magnetic field. We hope to advance the progress in searching for novel multiferroic materials with high working temperature and strong magnetoelectric coupling strengths for device applications.

多铁性材料是指具有多重铁性的材料。多铁性材料为信息器件的多功能化，和小型化开辟了一条崭新的途径。最近的研究表明CaMnO3等磁性钙钛矿中存在非常强的极化声子与自旋的耦合，可以用于设计新型的，强耦合的多铁性材料。在本项目中，我们拟通过第一性原理计算的方法研究钙钛矿材料中的磁电耦合效应，包括：1. 澄清 CaMnO3 等一类钙钛矿中强自旋-极化声子耦合的微观起源；2.探索钙钛矿多铁性超晶格中磁电耦合的新机理，探讨提高多铁性超晶格转变温度和耦合强度的有效手段；3. 研究电场和磁场等对多铁性超晶格磁电性质的调控。通过本项目的研究，推动寻找实用化的高温，强耦合的新型多铁性材料的进程。

在本项目中，我们主要拟通过第一性原理计算的方法研究钙钛矿材料中的磁电耦合效应，包括：澄清 CaMnO3 等一类钙钛矿中强自旋-极化声子耦合的微观起源；探索钙钛矿多铁性超晶格中磁电耦合的新机理，探讨提高多铁性超晶格转变温度和耦合强度的有效手段； 研究电场和磁场等对多铁性超晶格磁电性质的调控。通过本项目的研究，推动寻找实用化的高温，强耦合的新型多铁性材料的进程。围绕研究任务，我们研究了若干多铁性材料的磁电耦合机制，并研究了界面效应对磁电耦合的调控，取得了一系列重要的研究成果，完成了预定的研究目标。主要成果包括：1. 澄清了RbFe(MoO4)2的多铁性机制，铁电的起源主要有两个，即面内螺旋磁结构导致的电荷转移，和二阶逆Dzyaloshinskii-Moriya效应导致的晶格形变。2. 最近实验上发现六角相LuFeO3 (hLFO)是一种少见的室温多铁性材料。我们利用第一性原理研究了该材料中磁-声子的耦合机制。我们发现磁性与K3声子模的耦合是自旋旋转的驱动力。K1模和K3模的竞争决定了磁相变的温度和自旋取向。我们提出通过界面调控或外电场的方法，有可能提高TR的相变温度，从而实现室温的铁磁-铁电体。3. 发现新型的室温强耦合的多铁性材料是多铁性材料实际应用的关键。们计算发现CaTcO3/BaTcO3超晶格具有816K的Neel温度，因而是室温的多铁性材料。4. 我们发现LiBO3 (B=V, Nb, Ta, Os)是超铁电体。同时我们发现在超铁电材料中，短程的化学健作用导致铁电性，与传统铁电的机制完全不同。这个工作不仅丰富了我们对铁电机制的理解，也为我们寻找新型的超铁电材料提供了指导。