RMnO3多铁性薄膜的拓扑畴结构及其新颖光电磁新效应

Real space topological vortex is the cutting-edge frontier of growth in the modern condensed matter physics, which own nontrivial physics and broad potential applications. In this project, we propose to study the real space topological vortex and their novel photoelectricmagnetic phenomena of hexagonal manganite RMnO3 (R: transition metal) epitaxial films by combining the experiment and theory. On the one hand, we will fabricate some hexagonal RMnO3 epitaxial films with the topological vortex to explore the influence of stress, interface states and defects in the films on the topological vortex, polarization, magnetic, conductive and magnetoelectric coupling properties and develop the method for modulating the topological vortex and anti-vortex，movement and the size of the topological vortex. Furthermore, some underlying phenomena, e.g., photovoltaic properties, will be investigated under the external conditions, such as electric and magnetic fields, light. On the other hand, electronic structure and thermodynamic stability of topological vortex domain will be studied and the topological vortex structures and their dynamic behavior will be by using the first principles and phenomenological phase field model to illustrate the relationship between topological structure and ferroelectric, magnetic and magnetoelectric coupling properties in hexagonal RMnO3 system. Our project will enrich the physical mechanism of the real space topological vortex and extend the field in condensed matter physics, and push forward the physical fundament for the application of topological vortex in the field of information storage and energy.

具有实空间拓扑铁电涡旋畴结构是当前凝聚态物理领域的前沿增长点，蕴含丰富物理现象和潜在应用前景。本项目以六角晶系锰氧化物RMnO3薄膜的拓扑畴结构及其新颖光电磁效应为研究对象，实验与理论相结合。一方面，外延生长具有拓扑铁电涡旋畴的几类六角晶系RMnO3薄膜，探索晶格失配、应力、界面态与缺陷等因素对拓扑铁电涡旋畴结构和极化、磁性、电导、磁电耦合性能的影响，发展拓扑正-反涡旋畴反转、拓扑畴运动及畴密度大小的调控方法。同时，探讨拓扑铁电涡旋畴潜在的新颖特性，如光伏特性。另一方面，通过第一性原理和唯像相场方法研究拓扑畴壁的电子结构与热力学稳定性，揭示拓扑畴结构及其动力学行为，结合实验结果，阐明拓扑结构与铁电、磁性及磁电耦合等性能的关系。本项目的研究将丰富实空间拓扑铁电涡旋畴的物理内涵，拓展凝聚态物理学中拓扑性范畴，为拓扑涡旋电畴在信息存储与能源等领域的应用提供物理基础。

六角晶系锰氧化物RMnO3是一种重要的多铁性材料，除了铁电/磁性互控之外，其铁电拓扑vortex畴也表现出丰富的物理特性及其新颖光电磁效应，从而在自旋电子学和其他领域有着广阔的应用前景。本项目主要以六角RMnO3薄膜的多铁特性和vortex畴为对象展开研究。首先，通过脉冲激光沉积法，在不同的衬底上，如Al2O3(0001)，YSZ(111)等，生长多种RMnO3薄膜, 如YMnO3、ErMnO3、 GdMnO3等，一方面通过XRD、TEM揭示该薄膜具有高度的外延特性；通过PFM测试了薄膜的铁电畴和极化翻转等特性，如在六角ErMnO3薄膜中，获得了具有明显的纳米铁电畴结构，且具有明显的极化反转和保持特性；在YMnO3获得了明显的vortex畴结构，其vortex畴的尺寸仅为20 nm左右。另一方面，研究了六角YMnO3多铁性外延薄膜的紫外光探测。获得了不同厚度的YMnO3光探测器都具有很好的光电相应和稳定性能。随着YMnO3薄膜厚度的增加，其光电探测性能先增强然后减少，最优的光电增益性能，即有关和无关的电流比值高达387.4。其次，我们通过浮区法制备出了高质量的各种六角锰氧化物单晶，如YbMnO3，HoMnO3和ErMnO3。主要关注不同取向晶体的物理特性，包括磁特性、电输运、Hall效应等，尤其实现了vortex的宏观观测。最后，依托本项目的支持，我们也研究了其它一些类型的多铁性材料，如TmMn2O5陶瓷，Y和Eu共掺杂的DyMn2O5陶瓷，获得了自旋序和铁电序在极低温下存在较强的耦合作用，以及Sm/Sc共掺杂BiFeO3陶瓷，获得了电畴和磁畴室温共存的多铁特性。本项目的研究推动了六角RMnO3薄膜的vortex的研究以及新奇的光电探测性能。