电子铁电体的多重有序态的竞争与耦合

Electronic ferroelectric materials exhibit a rich variety of structural and physical phenomena in correlation with competition and coupling of the ordered states. Multi-degrees of freedom, i.e., spin, lattice, charge and orbital, are all important for understanding these ordering phenomena. In this project, Multi-ordered states of electronic ferroelectric materials will be studied, such as charge/orbital orders and multiferroic properties in novel systems. (a) Experimental investigations of the charge/orbital orders, electronic polarizations and structural phase transitions in Fe2OBO3 and Lu-Fe-O system. (b) Observations of the magnetic and ferroelectric domains by using in-situ Lorentz TEM, the interplay between charge/orbital order and physical properties will be extensively studied. (c) Explorations of the ordered states in novel electronic ferroelectric materials, extending our research for coupling of ordered states in electronic ferroelectric systems.

电子铁电体中存在丰富的结构现象和物理性能，它们和多重有序态的竞争与耦合密切相关。这些有序态涉及到多个自由度，包括电荷，自旋，晶格和轨道。本项目主要关注新型电子铁电体功能体系的多种有序态问题，重点研究无公度电荷/轨道序结构，铁电极化和电荷序的关联，以及插层结构对新型电子铁电性的调控。我们近期的研究结果表明，在电子铁电体中电荷/轨道序不但能直接引起晶体结构相变，还可以引起多种物理性质的突变。主要研究内容有：(1)典型电子铁电材料的电荷序/轨道序，铁电极化和结构相变，揭示铁电性能随微观结构的变化规律。关注体系主要包括Fe2OBO3和Lu-Fe-O系统；（2）利用Lorentz显微术和in-situ TEM技术直接观察铁电（磁）畴的结构和动态变化，揭示微观结构在外场下的变化规律，分析电荷序和磁结构的关联，探讨电子铁电材料的磁电耦合规律；（3）探索新型电子铁电体系的多重序，拓展电子铁电体的研究领域。

电子铁电体中存在丰富的结构现象和物理性能，它们和多重有序态的竞争与耦合密切相关。这些有序态涉及到多个自由度，包括电荷，自旋，晶格和轨道。本项目整体研究工作基本按计划进行，并扩展到YMnO3，Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7和MnNiSn等多铁材料体系。六方结构RMnO3 (R=Ho-Lu，Y 和Sc）是一个典型的几何铁电性多铁体系，其微观铁电极化机制，涡旋铁电畴以及反常的畴界导电行为都和其微结构存在密切的联系。研究表明，这一材料体系表现出独特的磁电效应和新型铁电机理，在研制可控性多功能微电子器件方面具有广阔的应用前景。研究内容包括（a）系统研究了RMnO3中的环形铁电畴结构。（b）用球差校正的STEM技术体统研究了RMnO3体系中产生铁电极化的原子位移情况，并对涡旋畴进行了同伦理论分析；（c）Y1-xInxMnO3 和Y1-xErxMnO3的制备和结构物性研究；（d）YMnO3及YMn1-xFexO3系列掺杂样品低温水热法制备及其结构和物理性能研究；另外（e）我们利用原子分辨率的球差校正的扫描透射电子显微镜和电子能量损失谱系统研究了多铁材料Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7中A位阳离子有序，电荷序和结构扭曲，直接观测到该材料的铁电极化来源于磁性Mn离子的位移；以及（f）探索了Mn50Ni40Sn10材料在超快脉冲激光作用下的相变动力学行为，首次在超快实验中观测到正空间中畴的消失与形成，也证实了马氏体畴的成核以及消失都是在ps时间尺度下完成。