M4T2O9（M=Mn，Fe，Co；T=Nb, Ta）单晶的磁电效应及铁性磁涡旋研究

Magnetoelectric materials have received widespread attention in fundamental and applied basic research areas, for their plentiful physical connotation and potential appliance value. In this project, the single-crystalline M4T2O9 (M=Mn，Fe，Co; T=Nb, Ta) will be prepared by floating-zone method to investigate their magnetoelectric coupling mechanism through physical property characterization, thermodynamic theories, first-principles calculation and so on. Moreover, the ferrotoroidicity of this series will also be characterized by measuring magnetoelectric coefficients and domain structure. Based on studying the magnetoelectric performances and ferrotoroidicity of this system, further understand of the coupling route between magnetism and electricity is expected, which would provide evidences for the theoretical development and potential applications of magnetoelectric effect and ferrotoroidicity.

磁电材料因其具有丰富的物理内涵及潜在的应用价值，在基础研究和应用基础研究领域受到广泛关注。本课题中，我们将利用浮区法制备M4T2O9（M=Mn，Fe，Co；T=Nb, Ta）单晶样品，并通过物性测量、热力学理论和第一性原理计算等手段研究其磁电耦合机制。此外，我们还将通过表征磁电系数及畴结构来探索材料中的磁涡旋态。基于该体系磁电性能和磁涡旋的研究，可望进一步理解磁性与电性之间关联的物理途径，为磁电效应和铁性磁涡旋的理论发展及潜在应用提供依据。

信息爆炸的现代社会对电子器件提出越来越难以满足的要求。新型智能材料的研究为实现元器件的小型化、多功能化等提供了可能。本项目主要研究磁场对一些非常规材料的电学性质的作用，以期达到有效调控的目的，主要包括磁电耦合和磁电阻等方面的工作。（1）磁电耦合研究方面，我们主要对Co4NbTaO9的磁、电量子序之间的关联效应进行了深入探索。我们发现Co4NbTaO9中电极化的大小随着Ta离子的引入变得比Co4Nb2O9小，说明非磁性离子位的无序排列将不利于电极化的产生。此外，Co4NbTaO9中轨道序也有利于电极化的形成。（2）材料拓扑性质的研究是本项目的另外一个重点，通过助溶剂法制备具有NaCl型晶体结构的RPn（R=稀土元素；Pn=Sb，Bi）单晶并研究其磁电阻的形成机制：①发现GdSb在23.4 K以下表现出MnO-型反铁磁结构，电输运结果表明其具有金属性行为，磁场的作用可以有效地调控低温电阻的大小-出现类似金属-绝缘体相变和表面态相关的电阻平台现象。霍尔电阻率及第一性原理计算发现GdSb具有多种载流子，是补偿型半金属。第一性原理揭示了GdSb的能带结构是非平庸的，表明该体系中极大磁电阻来源于电子-空穴补偿及极高的迁移率。②材料的拓扑性质与自旋轨道耦合有关，我们进一步研究了YBi单晶的磁输运性质，发现极大磁电阻除了与电子-空穴补偿及极高的迁移率有关还和非平庸的电子结构有着紧密的联系。③磁性的引入可以极大地丰富半金属材料的研究范畴。我们发现HoBi单晶具有非常复杂的磁相变，磁结构的变化影响低场磁电阻。第一性原理计算发现该材料具有非平庸的拓扑电子结构且电子-空穴浓度相当。这两个因素可以导致极大磁电阻的产生。此外，在本项目的资助下，我们还对①磁电耦合材料Lu2MnNiO6的磁临界行为进行了分析，将有助于探索材料中各种微观的交换作用；②通过外加磁场调控Co2TiO4交换偏置场的极性并对其物理机制进行分析。总之，通过本项目的实施，我们弄清楚了自旋、轨道及其耦合作用对磁电量子序和拓扑电子态的产生具有非常重要的作用，也为进一步的研究提供知识积累。