正交铬铁矿RCrO3（R=Lu，Sm）铁电有序和磁现象微观机制的实验研究

Hunting for room-temperature single phase magnetoelectric coupling material and exploring its mechanism is one of the key contents for condensed matter physics. Perovskite chromium oxide is a recently founded single phase material with high phase transition temperature and simultaneous existence of ferroelectric polarization and magnetism. The origin of polar order (Type I or II multiferroics) and magnetic phenomenon (spin reorientation, magnetization reversal, and negative exchange bias effect) of orthochromite RCrO3 is under debate and lack of direct experimental evidence. For example, whether the polar order in LuCrO3 is from the magnetic coupling between sublattices or the lattice local distortion of Cr itself; whether the spin reorientation in SmCrO3 is from Sm-Cr spin coupling or exchange splitting of Cr-Cr and 3d orbital hybridization. In this project, the micromechanism of polar order contribution and magnetic phenomenon will be systematically studied by the chemical element doping to realize tuning the microstructure, magnetic exchange interaction, electronic structure and spin configuration of sublattice in RCrO3(R=Lu, Sm) and making full use of the advantage of synchrotron radiation x-ray absorption fine structure, and magnetic circular dichroism in detecting the microscopic geometric, electronic and spin structure, which would reveal the micromechanism of multiferroics in RCrO3.

寻找室温磁电耦合单相材料及探究其机理是凝聚态物理研究的重点内容之一。钙钛矿铬基氧化物是最近发现的具有高相变温度且同时表现出铁电极化和磁性的单相材料。其中正交铬铁矿RCrO3中铁电极化的来源（第一类或第二类多铁体）和丰富磁现象（自旋重取向、磁矩翻转、负交换偏置效应）的影响因素等问题尚处在争论之中，缺乏直接实验证据。例如：LuCrO3的铁电极化是来自于亚晶格离子间的磁耦合作用还是Cr离子自身晶格局域畸变；SmCrO3的自旋重取向是来自Sm-Cr间自旋耦合还是Cr-Cr间交换劈裂和3d轨道杂化。本项目计划通过化学元素掺杂方式实现RCrO3亚晶格的晶体微结构、磁交换作用、电子结构和自旋状态的调控，并充分利用同步辐射X射线吸收谱学、磁圆二色等实验技术在直观探究局域微观晶体、电子和自旋结构方面的优势，系统地研究RCrO3（R=Lu，Sm）的铁电极化来源和磁现象的影响因素，揭示体系多铁性的微观物理机理。

正交铬铁矿RCrO3中丰富的磁效应和铁电性的产生、调控和影响因素探究是研究的前沿问题，本项目通过化学元素掺杂等方式研究了RCrO3亚晶格的晶体微结构、磁交换作用、电子结构和自旋状态，讨论了相关多铁性的产生机制。研究主要内容和结果包括：（1）研究了过渡金属Mn离子掺杂对LuCrO3的晶体结构、电子结构和铁电性、磁性行为的影响，结果表明掺杂破坏其铁电性，但可实现了温度诱导的场冷磁化翻转演变，给出相关诱导机制。（2）研究了非磁性稀土离子Y掺杂对SmCrO3的晶体结构、电子结构和磁性行为的影响，实现了体系负磁化和零场冷交换偏置效应的诱导，讨论了Sm-Cr相互作用和晶体畸变的作用。（3）研究了非磁性Ga离子掺杂对SmCrO3的磁性影响。首次实现了掺杂调控引起Cr的自旋结构变化从单重自旋重取向向双重再到单重相变，确定了Sm-Cr之间的相互作用对磁性、Cr的磁结构的影响。（4）研究了非磁性稀土离子Y和非磁性Ga离子共掺杂SmCrO3的结构和磁性行为的影响，将自旋重取向转变温度提高到液氮温度附近，讨论了掺杂浓度改变对温度诱导的磁翻转的影响和磁性离子自旋排列随温度变化情况。（5）研究了不同气氛制备条件对HoCrO3的晶体结构、磁性的影响，提出了Ho和Cr的空位是影响有效磁矩减小的主要因素。研究了不同退火温度对SmCrO3物性影响和薄膜形态RCrO3（R=Ho，Sm）的物性随厚度变化情况，以及非磁性Ga离子掺杂HoCrO3的影响，明确了R-Cr之间的相互作用和磁性竞争在体系中的作用。（6）Fe掺杂对双钙钛矿La1.5Sr0.5CoMnO6的自发交换偏置和零场冷磁性，以及交换偏置和相关磁性在其他体系中的研究，包括Mn掺杂的CuCrO2体系、Bi4O4S3超导体、以及Fe2O3/NiO核壳结构。通过研究我们确定了Cr-R相互作用及其余Cr-Cr磁矩的磁性竞争是决定Cr的磁结构的根本因素，是实现自旋重取向、交换偏置可控的关键，是产生多铁性的主要要素，完善了该体系在多铁性领域的探索。