铁磁材料/BiFeO3异质结构的磁电耦合效应的第一性原理研究

Magnetoelectric effect and multiferroic materials have received great interest for their potential applications in new storage devices and spintronics. Magnetoelectric coupling allows the electric control of magnetic polarization and the magnetic control of electric polarization.The item plan to employ the first-principles calculations to study:(1)the magnetic structure and magnetoelectric effect of the Fe/BiFeO3 heterostructure; (2) the relations between bondings and spin orderings at the interface of the Fe3O4/BiFeO3 heterostructure. We try to analyse the effect of microscopic structure, chemical bonds, oxygen vacancy and the diffuse of atoms on the magnetism and magnetoelectric effect of the multiferroics/ferromagnetic materials heterostructure, to unvel theoretically: (1) the microscopic nature of magnetism in the ferromagnetic materials/multiferroics heterostructures; (2)the origin of magnetoelectric effect of the heterostructures. The application aims to explore the physical mechanism of the magnetoelectric effect in the ferromagnetic materials/multiferroics, and to provide the theoretical foundation for the design and preparation of the room-temperature magnetoelectric materials.

磁电耦合效应和多铁性材料由于其在新型存储器件和自旋电子学方面的潜在应用价值，引起了研究者们极大的兴趣。磁电耦合效应使得电场控制材料的磁化与磁场控制材料中的电极化成为可能。本项目拟采用量子力学第一性原理计算的方法，研究：（1）Fe/BiFeO3异质结构的磁有序结构和磁电耦合效应；（2）Fe3O4/BiFeO3异质结构界面处的成键与自旋序之间的关系。分析微观结构、化学键、氧空位和原子扩散对多铁/铁磁异质结构的磁性和磁电耦合效应的影响；从理论上揭示（1）铁磁/多铁异质结构中微观磁相互作用的本质；（2）此异质结构中磁电耦合效应的起源。本项目旨在探索多铁/铁磁异质结构中磁电耦合的物理机制，为室温磁电耦合材料的设计、制备等提供理论依据。

本项目采用第一性原理计算的方法研究了在两种铋系铁电材料中引入多铁性和磁电耦合效应的途径。对于铁电材料铝酸铋，通过引入过渡金属（铬、锰、铁）掺杂，发现了锰掺杂铝酸铋可以得到高温铁磁性，同时掺杂后的体系仍然保持绝缘性。进一步用DFT+U的方法验证了由掺杂的锰原子引起的铁磁性，并用超交换相互作用解释了这种铁磁性的来源。掺杂的锰原子在铝酸铋中趋向于靠近，形成铁磁性耦合的团簇结构，这为材料出现宏观铁磁性提供了保证。而其他两种过渡金属（铬和铁）的掺杂，均不能引入铁磁性。通过构造Fe/BiFeO3异质结构并研究Fe原子层的磁性耦合，发现了其磁性耦合性质会被BiFeO3薄膜的铁电极化改变。当铁电极化方向朝向Fe层时，Fe层内为反铁磁耦合，净磁矩为0；当铁电极化方向背离Fe层时，Fe层内为铁磁耦合，净磁矩为3.5μB/Fe。这是首次在铁电/铁磁异质结构中，发现铁电极化铁磁层自旋有序状态的改变。