双钙钛矿结构中++--型磁结构磁致多铁性及机制研究

Magnetic Multiferroics have become the forefront and one of hot topics in the research of condensed matter physics and materials science in recent years due to exhibiting strong intrinsic magnetoelectric coupling. Weak ferroelectric polarization and low magnetic ordering temperature are two important drawbacks of current magnetic multiferroics, while searching for new multiferroics with exchange-striction mechanism (common in ++-- type magnetic structure) is promising for breaking through this predicament. Recently, ++-- type magnetic structure has been first found in double-perovskite Lu2CoMnO6, which attracted considerable attentions. Aiming to solve the problems in experimental results and searching for new multiferroics, this project intends to study the multiferroics with ++-- type magnetic structure and the multiferroic mechanisms among double-perovskite materials R2CoMnO6 (R=La-Lu,Y) using the first principles and Monte Carlo methods. Specific studies include revealing the microscopic mechanism of magnetically inducing ferroelectric polarization, explaining the observed experimental phenomenon of multiferroic, and further researching the origin of this magnetic structure, searching for new multiferroics with ++-- type magnetic structure among this system and predicting the ferroelectric properties of multiferroics. It is hoped that our study will provide theoretical supports for searching for new multiferroics with large ferroelectric polarization and high magnetic ordering temperature.

磁致多铁性材料由于具有本征的强磁电耦合效应近些年来已成为凝聚态物理和材料科学研究的前沿和热点之一。铁电极化小和磁有序温度低是这类多铁性材料目前面临的主要问题，而研究具有交换伸缩机制（常见于++--型磁结构）的新型多铁性材料有希望突破目前的困境。最近实验上首次在双钙钛矿结构（Lu2CoMnO6）中观测到++--型磁结构及多铁性，引起了广泛关注。针对实验结果中存在的争议和困惑，并从寻找新型多铁性材料角度出发，本项目利用第一性原理计算和蒙特卡洛模拟研究在双钙钛矿R2CoMnO6（R=La-Lu,Y）体系中具有++--型磁结构的多铁性材料及存在的多铁性机制。揭示该磁结构诱导铁电极化的物理机制，解释实验上观察到的多铁性现象，并探索该磁结构的起源，寻找该体系中具有++--型磁结构的多铁性材料，预测其铁电性质，为寻找具有大铁电极化和高磁有序温度的磁致多铁性材料提供理论支持。

多铁性材料在自旋电子器件、传感器和数据存储等方面具有巨大的应用潜力，因此近些年来已成为凝聚态物理和材料科学研究的前沿和热点之一。铁电性来源于磁效应的一类多铁性材料，也被称为磁致多铁性材料或第二类多铁性材料，通常具有较强的本征磁电耦合效应，在磁场调控电极化等方面具有良好的应用前景。经过十多年的蓬勃发展，磁致多铁性材料领域研究已取得了丰富的研究成果。然而，目前尚遗留一些问题亟待解决，如一些典型多铁性材料中的多铁性现象及具体的磁电耦合机制未被解释。另外，已发现的这类多铁性材料普遍存在铁电极化较小的问题，限制了其在器件上的应用。. 该项目首先研究了磁性双钙钛矿中++--型磁结构的起源及诱导铁电极化的微观机制，解释了实验结果中遗留了一些困惑及争议性的问题。随后，发展了基于对称性分析和第一性原理相结合的磁电耦合张量方法来研究磁致多铁性材料的磁诱导铁电性。这种方法尤其适用于复杂体系的研究，如建模困难的长周期调制磁结构或缺乏顺电相的极性晶体结构等。我们在三角晶格反铁磁结构中演示了该方法的优势，并应用该方法研究了一些典型磁致多铁性材料的磁电耦合微观机制。另外，研究了钙钛矿锰氧化物RMnO3 （R=La-Lu）系列薄膜外延应变效应，解释了实验上发现的锰氧化物薄膜磁相变及多重磁相共存现象，总结了应用外延应变调控磁相的规律，并提出利用调控锰氧化物薄膜应变梯度实现铁电相和铁磁相共存与耦合的实现途径。