单相多铁性材料磁电耦合机制的计算研究

以铁酸铋、锰酸铽等为代表的单相多铁性材料是目前凝聚态物理研究的前沿领域。由于该类材料中同时存在磁有序和电有序并且两者相互耦合，在新型存储器件和传感器等方面有潜在的应用前景。但是到目前为止，这类材料还存在如电极化与磁化强度较弱、两相之间的磁电耦合效应弱或有序相出现的温度偏低等缺点，制约了单相多铁性材料的实用性。本项目拟针对这类材料，以铁酸铋、锰酸铽等代表性体系为主要研究对象，建立单相多铁性材料磁电耦合的微观模型，利用计算模拟的方法，深入研究这类材料中磁电耦合的微观机制。在此基础上，探索优化材料磁电性质的可能途径，包括增强电极化或磁化强度、磁电两相的耦合强度以及提高两相相变温度。以上研究对制备新的、符合实际应用需要的多铁性材料具有促进作用，同时对加深理解物质磁性和电性的本质也有重要的理论意义。

单相多铁性材料是指在同时具有铁电性、铁磁（反铁磁）性和铁弹性中的两种或两种以上性质的化合物。其中，同时具有铁电性和铁磁（反铁磁）性的多铁性材料尤为引人关注。在这类材料中，铁电性和铁磁性（反铁磁）性之间存在直接或间接的耦合作用。因此，人们可以通过外加电场改变材料的磁性，或者通过磁场改变材料的铁电极化。该特性使得多铁性材料有望用于某些新型器件的制备，例如多态存储器。一些多铁性材料中的铁电性和磁性的起源相对独立，铁电性相变点和磁性相变点一般相距比较远，它们被称为一类多铁性材料，以BiFeO3、BiMnO3等材料为代表。另一些化合物中的铁电性是由其中的某种独特自旋排布所诱导，其铁电相变点和磁性相变点是重合的，属于非常规铁电体，这类材料被称为二类多铁性材料，其代表为稀土元素的锰酸盐RMnO3 (R为Tb, Dy等稀土元素)；本项目的主要目标是研究单相多铁性材料中的磁、电两相的耦合特性，通过建立包含两相耦合的哈密顿模型，利用计算机模拟材料中的多铁性为，解释单相多铁性材料中的耦合机制。实际工作中，我们研究的主要内容是单相BiFeO3的多铁性质。BiFeO3在1100K以下具有铁电性，在640K以下具有G型反铁磁性。如果是BiFeO3单晶，其内部会形成一种螺旋自旋结构。由于受到衬底的影响，在BiFeO3薄膜中没有这种自旋结构。实验和理论研究表明，BiFeO3薄膜中的磁畴及电畴通过铁弹畴间接地耦合在一起，因此可以用电场改变薄膜的磁畴结构。但是在BiFeO3单晶中，人们发现电场还可以改变螺旋自旋结构的旋转平面，这种现象预示着单晶样品中具有新的磁电耦合机制。最近的实验结果表明在BiFeO3单晶中除了常规铁电序外（居里点1100K），还存在由螺旋自旋结构诱导的铁电极化，而且该电极化可以被外加磁场改变。这说明在BiFeO3的单晶中，磁性和铁电性之间存在某种比较强的直接耦合作用。我们提出了一种包含该直接耦合作用的微观多铁性模型，并利用蒙特卡罗方法模拟了该模型的多铁行为。目前模拟的相变特性，铁电性/磁性对外场的响应特性与一些实验结果定性吻合。