无机钙钛矿磁电材料的物性研究

Polarizations of ferroelectricity and magnetism might coexist in a single-phase material. The origins of these two properties can be independent to each other, leading a very weak intrinsic magnetoelectric coupling. We usually call this proper ferroelectrics. On the other hand, ferroelectricity may come from certain type of magnetic ordering, such an interaction then induces strong intrinsic magnetoelectric coupling. These materials are referred to as the hybrid improper ferroelectrics. Up to date, the working temperature of improper magnetoelectrics is still far below that of proper magnetoelectrics. Therefore in the present project, we will propose novel designs to realize the ultimate goal of room temperature applications, by making use of rare earth, low dimensionality, and superlattice structures. It is an important research direction in the future information electronics where we can mutually control electricity and magnetism. Then the logic circuits and information storage based on electricity and magnetism can be integrated into one unified system.

铁电和磁性两种极化有可能在一种单相材料中同时存在，这两种性质的起源可以相对独立，进而导致其本征的磁电耦合较弱，这常见于一些常规铁电磁体。另外一种情形下，铁电性起源于某些特定的磁有序，因此铁电和磁性紧密关联导致了本征的强磁电耦合，这种材料属于杂化非常规铁电（hybrid improper ferroelectricity）。目前的非常规磁电材料在工作温度等方面还很难能够超越常规磁电材料，因此我们将在本项目中通过围绕无机钙钛矿体系，引入稀土元素、低维结构、超晶格结构等设计方案向这一目标的室温应用最终实现进行基础性的原创研究。通过电场或者电流控制磁性，反之通过磁场或自旋流控制电性，是未来电子信息领域的重要发展方向，本项目的开展有望将目前逻辑电路和信息存储分别依靠电性和磁性的物质整合在一个体系上来。

本项目基于大量的密度泛函理论第一原理计算分析工作，并结合相关的实验样品制备、晶体生长和物性测试。在非常规铁电及其机理探索方面，项目团队创新性地提出稀土正铁氧体中的反铁磁畴壁结构的反相界面出现非常规的铁电极化，对于多种钙钛矿结构氧化物利用随机相近似下的第一原理计算方法得到了更为精确的结构常数和能量理论值，围绕钙钛矿型非常规铁电材料、钛酸盐钙钛矿的铁电与反铁畸变研究进展完成了物理学报等综述文章。实验上与国际学者合作实现了在稀土正铁氧化物钙钛矿单晶中的迪克协同效应的观测。在二维铁电和多铁研究方面，针对实验上实现原胞量级厚度钙钛矿的突破进展，研究了双层钛酸锶钡氧化物的二维钙钛矿面内铁电极化，及其精细的能带结构；利用双层过渡金属硫化物的独特铁谷特性，实现了其与铁电和磁性的之间的磁电耦合作用。项目执行期间，我们还用第一原理和理论预言了首个外尔和狄拉克电子结构共存的拓扑物质。