新型六方相RInO3(R= Gd,Tb,Dy)晶体的生长及其电、磁性能研究

Hexagonal RInO3 (R=Gd,Tb,Dy) are a new class of magneto-electric functional materials with geometric ferroelectricity and spin frustration magnetism. Due to the influence of grain boundaries, defects, isotropy and other factors in the RInO3 polycrystalline, their geometric ferroelectricity and spin frustration magnetism are still unclear. Single crystals are the ideal choice to clarify these properties. However, RInO3 has high melting point and high saturated vapor pressure, which makes the crystal growth difficult. This project firstly proposed the crystal growth of hexagonal RInO3 by optical-floating method. The effects of different growth atmospheres and pressures on the volatilization of In2O3 will be studied, and single crystals with high quality will be obtained. The crystal structure, geometric ferroelectricity and spin frustration magnetism are studied experimentally. Combined with the first-principle calculation, the mechanism of geometric ferroelectricity and spin frustration will be revealed. This project will lay theoretical and experimental foundation for exploring new magneto-electric functional materials and devices.

六方相RInO3(R=Gd,Tb,Dy)是一类具有几何铁电性和自旋阻挫磁性的新型磁电功能材料。目前关于RInO3的研究普遍集中于多晶材料，而多晶中存在晶界、缺陷、各向同性等因素的影响，因此，RInO3单晶材料是研究其几何铁电性、自旋阻挫磁性和产生机理的必然选择。由于受高熔点和高饱和蒸气压的影响，高质量RInO3晶体生长非常困难。本项目拟采用光浮区法生长六方相RInO3晶体，通过研究不同生长气氛和压力对In2O3挥发的影响，实现组分挥发可控的单晶生长，获得高质量单晶。通过研究单晶的电滞回线和铁电畴结构，明确单晶的几何铁电性；通过研究单晶的磁化率，确定单晶的自旋阻挫强度。进一步结合第一性原理计算，厘清晶体结构与几何铁电性、自旋阻挫磁性的关系，揭示几何铁电产生机制和自旋阻挫产生机理，为探索新型磁电功能材料和器件提供重要的实验基础和理论依据。

六方相RInO3是一类新型磁电功能材料。以往关于RInO3的研究普遍集中于多晶材料，而多晶中存在晶界、缺陷、各向同性等因素的影响，有可能导致研究结果存在一定的偏差，在这类样品中是否存在几何铁电性仍存有争议。本项目针对RInO3化合物熔点高和饱和蒸气压高的问题，选择采用激光浮区法对六方相RInO3单晶的生长进行了研究，通过控制生长气氛和压力，有效抑制了铟元素的挥发，突破了单晶生长制备关键技术，获得了厘米级、高质量的EuInO3和TbInO3晶体。利用单晶X射线，解析了其晶体结构，获得了晶体结构参数，揭示了几何铁电产生机理。利用利用拉曼光谱，研究了晶格动力学，确定了相应的晶格振动模式，进一步揭示了结构畸变对铁电性的影响。对EuInO3和TbInO3晶体的光谱性质进行了研究，填补了光学性能研究的空白。利用第一性原理计算了其禁带宽带，发现与实验测得的光学带隙相一致。研究了晶体的铁电性能，EuInO3、TbInO3晶体的饱和电极化强度分别为0.2 µC/cm2和1.68 µC/cm2，并在晶体中发现了有趣的Z2×Z3拓扑涡旋铁电畴。通过对晶体的磁学性质研究，发现TbInO3晶体中存在强的自旋阻挫效应。本项目的实施，从晶体结构方面揭示了几何铁电产生机理，对磁电耦合晶体的发展具有重要的指导意义，有望应用于新型非易失性涡旋存储器件和逻辑器件。