ATiO3(A=Ba,Pb)/SrBO3(B=V,Ru)双钙钛矿超晶格的界面设计及磁电耦合性能

Due to the coupling effects and mutually controllable characteristics of ferroic order parameters, double perovskite multiferroic composites become a promising kind of multifunctional material, and they show extensive application prospects in the field of micro electronic devices. The present project is aimed at constructing double perovskite superlattices on the basis of some classic ABO3 ferroelectrics and ferromagnetics and aimed at designing novel and featured interfacial structures via variations of interface orientations and constituents. Furthermore, theoretical methods suitable for describing the interfacial thermodynamic stabilities and for computing the magnetoelctric coefficients of superlattice interface will be established. In the strongly correlated systems, the competition between locality and itineracy of electrons will be reasonably treated. Then the mechanical properties, lattice dynamic properties, and electronic structures of the ferroelectrics, ferromagnetics, and superlattices will be further investigated in depth. Finally the following three issues will be solved. (1) Relationship between interfacial structures and thermodynamic stabilities, and the interface stabilization mechanisms of the supperlattice. (2) Origin and possible physical mechanisms for the magnetoelectric coupling effect of the supperlattice. (3) Effect of interfacial geometry variatioins on the electronic structures and magnetoelectric coupling performance. The results would provide some useful insights into the modulation of interface and the improvement of magnetoelectric coupling performance for double perovskite multiferroics.

双钙钛矿多铁性复合材料的铁性序参量之间的耦合作用及相互可调控特性使其成为一类很有前途的多功能材料，在微电子器件领域有非常广泛的应用前景。本项目拟利用一些典型的钙钛矿铁电体和铁磁体构筑双钙钛矿超晶格结构，并利用界面取向及界面组成的变化设计一些新颖和特殊的界面结构；建立适用于描述双钙钛矿超晶格界面热力学稳定性的理论方法，以及计算超晶格的磁电耦合系数的理论方法；正确处理强关联体系中电子局域性和巡游性的竞争问题；深入地研究铁电体、铁磁体和超晶格的力学性能、晶格动力学特性以及电子结构等性质，最终解决以下三个方面的问题：(1) 双钙钛矿超晶格的界面结构与热力学稳定性的关系，及界面的稳定化机理。(2)双钙钛矿超晶格的磁电耦合作用的起源及潜在的物理机制。(3)双钙钛矿超晶格界面结构的变化对体系的电子结构及磁电耦合性能的影响。研究结果将为调控超晶格的界面结构以提升材料的磁电耦合性能提供重要理论依据。

单相多铁性材料具有较差磁电耦合性能，这极大地限制了其在电子器件领域中的应用。为了进一步提高材料的磁电耦合系数，本项目拟利用一些典型的ABO3型钙钛矿铁电体和铁磁体构筑双钙钛矿超晶格，并通过采用第一性原理密度泛函理论方法对超晶格的界面电子结构、稳定性和磁电耦合性能展开系统的研究，以解释界面磁电耦合性能的起因及相关的机制。对ABO3型钙钛矿铁电相(BaTiO3和PbTiO3)和铁磁相(SrVO3和SrRuO3))的研究结果表明：过渡金属Ti(V)的3d轨道与O2p轨道之间具有很强的杂化作用，这导致Ti(V)-O共价键的形成；BaTiO3材料中Ba-O离子对之间主要为离子键，而Pb替代Ba后使得A-O离子对之间的成键呈现部分共价性特征。这对于材料的晶格动力学行为产生了重要影响并导致PbTiO3产生更大的四方畸变。因此PbTiO3的铁电性能较BaTiO3更优。自旋电子密度的计算结果表明SrRuO3体相中Ru的磁矩较SrVO3中V的磁矩大很多，这个现象与Ru4+离子的自旋排列构型有关。表面电子结构和热力学稳定性的计算结果则表明BaTiO3、PbTiO3、SrVO3和SrRuO3的(001)表面是很稳定的，而它们的(110)表面在产生表面缺陷、空位或者发生重构的条件下也是可以稳定存在的。但是对于不同的材料及不同的表面构型，表面的稳定化机制有所不同。对ATiO3(A=Ba,Pb)/SrBO3(B=V,Ru)双钙钛矿超晶格的界面结构的计算结果表明：(001)-SrVO3/PbTiO3系统的磁电耦合系数较文献所报道的体系稍大，该系统界面磁电效应的改善与界面的成键强度变化关系不大，而与界面的结构畸变导致的净磁矩变化增大有关；(001)-SrVO3/PbTiO3双钙钛矿超晶格的界面稳定性较好，但是与(110)-SrVO3/PbTiO3和(001)-SrRuO3/PbTiO3系统相比其稳定性仍相对较差。当界面取向发生变化时，(110)-SrVO3/PbTiO3系统界面处的原子排列在极化反转条件下发生了显著的变化，并导致界面产生了很大的结构畸变。同时伴随着矫顽场的减小，其磁电耦合系数有了明显的提高。Ru替代V不仅使(001)-SrRuO3/PbTiO3系统的界面成键作用和热力学稳定性明显增强，而且界面处的净磁矩的变化比(001)-SrVO3/PbTiO3系统大，超晶格具有更好的磁电性能。