稀土正铁氧体中奇异磁相变与铁电、磁介电的关联效应研究

Rare-earth orthoferrites with perovskite structure have unique magnetic properties. Some rare-earth orthoferrites have been predicated to be promising candidates as magnetoelectric materials from the viewpoint of the magnetic symmetry.However,the gigantic magnetoelectric coupling in (Dy,Gd)FeO3 appears at very low temperature. In this project, we will systemly examine the anomalies of ferroelectric and dielectric around exotic magnetic transitions, looking forward to find a new multiferroic system at around room temperature. We will comprehensively study the magnetoelectric properties of rare-earth orthoferrites. The high quality single crystals of orthoferrites are prepared by optical floating zone technique and the properties are mainly measured by the physical properties measurement system. The first-principle calculation will be also developed to assist the understanding the properties.The behavior of magnetic transition induecd by the applied magnetic field and temperature, the dependence of magnetic transition on the crystal structure and distortion, and the relevance of ferroelectricity and magnetodielectric effect with magnetic transition will be comprehensively carried out.In addition, the substitution effect of A site and B site on the magnetic transition, ferroelectricity, and magnetodielectric effect will be investigated. Combined with XRD and Raman spectrum at various temperature, we will try to make clear the relevance of spin-phonon coupling to the origin of ferroelectricity and magnetodielectric anomaly.The exchange striction working between the adjacent rare-earth ions and Fe ions will be further discussed. Combined with the calculation, the effective substitution will be designed to improve the magnetic transition temperatue.It is hoped to find new multiferroic system neary at room temperature and give the feasible magnetoelectric coupling mechanism.

钙钛矿结构稀土正铁氧体具有丰富而奇异的磁特性，部分稀土正铁氧体被预言是极具前景的磁电材料。针对目前发现的(Dy,Gd)FeO3的磁电耦合效应在极低温这一问题，本课题将从考察磁相变附近的铁电、介电异常开展系统的工作，寻找新的室温附近的多铁性体系。拟选取稀土正铁氧体为研究对象，采用光学浮区法制备高质量单晶样品，以物性测量为主要手段，辅以第一性原理计算，系统深入地研究该体系的磁电性质。研究磁相变在温度和磁场诱导下的行为及其对晶体结构、晶格畸变的依赖性，阐明磁相变与铁电、磁介电异常之间的关联以及对磁电耦合的影响。探讨A位和B位离子掺杂对自旋重取向、负磁化等磁相变及铁电、磁介电的影响，搞清其独特磁结构中稀土与铁离子之间的交换收缩效应。结合变温XRD和拉曼测试，澄清铁电、磁介电与自旋-声子耦合的内在关联。结合理论分析，设计有效掺杂，提高磁相变温区，寻找接近室温的多铁性体系，探索新的磁电耦合机制。

本课题以稀土正铁氧体为主要研究对象，通过创新的光学浮区籽晶生长工艺制备高质量单晶，以物性测量为主要手段，结合第一性原理计算，对该类体系的奇异磁相变和复杂的内部交换相互作用进行了系统而深入的研究。并采用创新的单质还原法首次合成了CeFeO3和CeCrO3多晶样品，并详细表征研究了其磁电性能，对钙钛矿稀土铁氧体样品体系的拓展和丰富做出了有特色的研究。采用变温XRD、拉曼光谱和中子衍射技术并结合Rietveld全谱拟合、精修技术精确地确定了晶格结构、磁结构随温度和外磁场变化的演化规律。在对ErFeO3的中子衍射研究中，澄清了之前的模糊认知，准确给出了其高低温磁结构，阐明了在低温下Er3+离子磁有序的同时对Fe3+磁晶格存在附加的磁化诱导作用。结合超快太赫兹时域光谱探测技术，对稀土正铁氧体中典型的自旋重取向相变的动力学过程进行了观察，对其自旋重取向的机制也给出了清晰的物理图像，阐明了自旋重取向相变的相变驱动力为面内的磁晶各向异性能。在SmFeO3中发现了多温区可调控的磁化翻转（自旋开关）效应，这使得SmFeO3单晶成为在低磁场工作的自旋转换器件的理想候选。特别是，通过观察掺杂对体系磁电行为的调控效应，发现A、B位掺杂对自旋重取向温度和工作磁场有重要影响。在(Sm,Dy)(Fe,Ti)O3体系中首次通过掺杂揭示出稀土离子和铁离子的4f-3d相互作用在该类磁相变中扮演着重要角色。通过对DyFeO3单晶磁特性的深入研究，总结阐明了依赖于磁化历史的完整磁相变行为的相图。同时，也详细探究了相关氧化物自发电极化特征以及磁电耦合机理，成功在Y型六角Ba0.5Sr1.5Co2Fe12O22中实现了150K以上的磁电耦合及磁场对电极化的调控。在Dy(Fe,In)O3体系中发现了掺杂调控的磁序维度从三维到赝二维的转变，首次在实验上实现了稀土铁氧体中磁序维度的可控调节。结合第一性原理计算，给出体系的理论磁结构，与磁测量和中子实验测量的结果相互印证。本课题研究拓展了对稀土正铁氧体中奇异磁相变和磁电特性的认识，加深了对其相变机制及复杂交换相互作用的理解，成功实现了对磁化翻转和自旋开关效应的调控。研究表明，稀土离子的4f电子将触发更多自旋状态转变的新效应，对相关自旋器件的应用研究具有重要的指导意义。