几种铁基超晶格的高温多铁性及其调控研究

Multiferroic and magnetoelectric materials are new functional materials , it can be used to control electric polarization under magnetic field or control magnetism under electric field through magnetoelectric effects. New electric devices can be made based on multiferroics and the emergence of multiferroics broadens the application of materials. Multiferrocis becomes the hot topic in materials science and condensed matter physics. However, the ferroelectricity and magnetism usually cannot coexist under room temperature and magnetoelectric effect is very small currently. Motivated to resolve these issues, in this project we will perform first principles calculations on new multiferroic superlattice based on high temperature ferromagnetic (antiferromagnetic) ferrites, and study their multiferroic properties as well as the megnetoelectric effect under epitaxial strain, electric field and magnetic field. We will build three kinds of ferrite superlattices multiferroics: ferrite spinel superlattices, ferrite perovskite superlattices with ordered oxygen vacancies, and ferrite garnet superlattices. We will study the multiferroic properties by tune components of superlattices and epitaxial strain; study the magnetism, electrical properties and magnetoelectric effects under electric and magnetic field; as well as we will develop effect Hamiltonian methods based first principles. These new multiferroics, new effects, and new methods those we will study would open new routes for developing multiferroics.

多铁性和磁电耦合材料是一类新型多功能材料，通过磁电耦合作用，可以利用磁场控制电极化或者通过电场控制磁极化，从而制备出全新的多功能电子器件，大大拓宽了材料的应用范围，是材料科学、凝聚态物理等领域的研究热点。但是，现有单相多铁性材料面临磁电共存温度低、磁电耦合弱的研究困难。基于此，本项目拟基于高居里温度的铁基强亚（反）铁磁绝缘体材料，构造强极化、强磁性共存的高温单相多铁性超晶格材料，使用第一性原理等方法研究多铁性共存和耦合，以及应变、电场、磁场等外场对多铁性能的调控。拟以铁基尖晶石超晶格、有序氧空位的铁酸钙钛矿变体超晶格、铁基石榴石超晶格三类铁基超晶格为研究对象，利用超晶格组分、应变调制多铁性；研究电场、磁场作用下的性质并探索新型磁电耦合机制；并发展相应的基于第一性原理有效哈密顿量方法。这类新多铁性体系、新效应、新方法将对多铁物理的研究提供新的思路和途径，促进多铁研究的瓶颈得到解决。

多铁性和磁电耦合材料是一类新型多功能材料，通过磁电耦合作用，可以利用磁场控制电极化或者通过电场控制磁极化，从而制备出全新的多功能电子器件，大大拓宽了材料的应用范围，是材料科学、凝聚态物理等领域的研究热点。本项目基于第一性原理，研究并预测了多种新材料，包括传统氧化物钙钛矿材料、卤素钙钛矿材料、钙钛矿超晶格和其他二维铁磁、铁电及多铁性材料。基于这些体系讨论了其中多种效应，包括多铁性材料中广泛存在自旋劈裂现象，如Rashba自旋劈裂、Dresselhaus自旋劈裂和Zeeman劈裂等。对体系施加外部电场、磁场及应变场等，探讨了其中的结构相变、多种磁电耦合关系、不同效应之间的关系。利用和发展了一些新方法和新理论，包括有效哈密顿量方法解释微观与宏观的结构联系、基于结构对称性的高阶k·p模型理解特殊的能带劈裂、粒子群优化算法和机器学习预测新结构等。这些新多铁性体系、新效应、新方法将对多铁物理的研究提供新的思路和途径，促进多铁研究的瓶颈得到解决。..在本项目的执行期间，发表了高水平学术论文22篇，1篇Nature，4篇PRL，11篇Phys Rev系列/APL ；获批软件著作权1项；培养了博士研究生7人，硕士研究生3人。