正交钙钛矿锰氧化物薄膜多铁性调控的理论模拟研究

Orthorhombic perovskite manganites, typical representatives of type-II multiferroics, have recently attracted significant attentions due to the interesting physics and potential applications. Although the practical application of manganites mainly lies in thin films and heterostructures, there have been relatively fewer studies on the multiferrocity with this special geometry. In this project, we address the multiferroic behaviors in orthorhombic manganite thin films by theoretical simulations. In particular, multiferroic phase diagrams in larger regions of phase space along the magnetic and the electric field axes will be studied in details, and special attentions will be paid to the influence of substrate magnetic structures and lattice mismatch. In addition, the magnetic properties in manganites heterostructures will be studied, and related mechanisms for the exchange bias effect will be discussed. We should focus on theoretical model computations which will help us to get a deep understanding of the microscopic mechanisms of multiferroic phase competitions and manipulations. The multiferrocities in orthorhombic perovskite manganite thin films and heterostructures will be intensively studied to find more efficient manipulation methods in multiferroics.

正交钙钛矿多铁性锰氧化物是第II类单相多铁材料的典型代表，因其丰富的物理性质和潜在应用前景成为近年来多铁研究的热点。尽管其走向实际应用主要是以薄膜异质结形式，但目前对锰氧化物薄膜多铁性的物理研究还非常稀少。本项目着重正交锰氧化物薄膜多铁性调控的理论模拟研究，在更宽参数范围内细致探究体系在外加磁场和电场下的多铁相图，特别关注衬底磁构型与晶格失配对薄膜多铁性的调控行为。此外，我们还将研究锰氧化物异质结的磁性质及探讨体系交换偏置的可能机制。本项目将以理论模型计算为重点，以深刻理解多铁相竞争和调控的物理机制为主线，以寻找更多更有效的多铁调控方法为目的，对正交钙钛矿锰氧化物薄膜和异质结的多铁性及调控行为进行深入研究。

强关联电子体系如正交多铁锰氧化物等内部存在多种自由度的耦合，往往表现出丰富的宏观物理性质，并具有很大的潜在应用价值，成为当今凝聚态物理研究的热点之一。本项目针对特定强关联电子体系，使用理论模型模拟的方法研究了体系的物理性质，从微观角度加深了对体系的理解，为相关实验和应用提供了重要参考。研究了Tm掺杂GdMnO3体系的多铁相竞争行为，表明该掺杂体系的铁电极化同时来自于对称交换紧缩和反对称交换紧缩的共同贡献；研究了Al掺杂对多铁CuCrO2体系多铁相的影响，表明非磁性Al离子掺杂导致了晶格缺陷和随机交互作用的产生，继而导致了多铁相变温度降低；研究了强关联电子铁砷体系BaFe2As2的相变行为，表明正的双二次交换作用可能是体系中向列相产生的原因之一，而负的双二次交换作用有可能导致Flux态；研究了体系的压力效应，表明压力作用下产生了超交换相互作用和Fe-Fe电子跃迁强度的各向异性，从而导致了体系反铁磁序和向列序的增强；研究了TmB4体系丰富的磁化强度台阶行为，研究表明长程交换作用很可能是实验中观察到的1/2饱和磁化强度台阶的产生根源；研究了TmB4体系的动力学磁化行为，表明非平衡磁化过程可能是实验报道的1/7，1/9和1/11处的磁化台阶出现的机制。该项目研究很大程度上澄清了相关体系实验现象背后的物理机制，为进一步实验工作的开展提供了理论支撑。