Fe基多铁性材料的磁电耦合机理与穆斯堡尔谱学研究

Since multiferroic materials possess ferromagnetism and ferroelectric properties simultaneously, they have a lot of potential applications in the fields of spintronics, ferroelectric and magnetic recording. Furthermore,the appearance of multiferroic properties arises a lot of challenges in fundermental physics, it is required to get better understanding the mechansim of coexientence of ferromagnetism and ferroelectric properties in one single-phase material. Mossbauer spectroscopy is a powerful technique to investigate the local information regarding Fe-based materials. Unfortunately, up to data, there is no report on Mossbauer studies by applying magnetic field or electric field on Fe-based multiferroic materials. In this project, 57Fe was used as a micro-probe to detect the local structrual distortion of the Mn(Fe)O6 octahedron. The fundamental proplems, such as the valence and spin states, magnetic structures, and spin-lattice dynamics will be investigated. By applying DC or AC, including microwave, magnetic or electric field, the in-situ Mossbauer spectra will performed to investigate the relationship spin arrangements and magnetoelectric coupling.

Fe基多铁性材料由于同时具有铁磁性和铁电性，并存在磁电耦合效应，有可能实现铁电性和磁性的相互调控，是一种新型多功能材料，在自旋电子学和铁电、铁磁存储等领域有着广阔的应用前景。与此同时，多铁性出现本身也对铁电学、铁磁学和强关联电子物理提出了很多基本问题和挑战, 迫切需要探索实现铁电性和磁性内禀共存的微观条件和二者相互耦合的微观机制。穆斯堡尔效应是研究微观性能的有效手段，但是到目前为止尚未看到利用低温强磁场和原位施加电压研究Fe基多铁材料。本项研究拟利用57Fe作为穆斯堡尔微观探针来探测(Fe,Mn)O6八面体局域晶格畸变；根据由穆斯堡尔谱确定的Fe离子价态、电荷和自旋有序和磁结构，以及自旋－晶格耦合等动力学等方面的基本物理问题；通过对样品施加直流和交流（包括微波）电场和磁场，根据原位穆斯堡尔谱，研究外加电场和磁场对电荷有序的融化和自旋结构的调制，确定电荷与自旋序与磁电耦合的内在联系。

稀土-锰氧化物具有丰富的物理性质，近些年引起了人们广泛的关注，多铁材料的磁电耦合机制不仅在多功能材料的应用上具有关键的作用，也是凝聚态物理科学中关键的问题之一，因此对这一课题的研究具有重要的现实意义。.我们利用穆斯堡尔效应这一微观结构分析手段，研究了Fe掺杂重稀土氧化物的磁电耦合与局域结构畸变以及Mn3+离子Jahn-Teller效应与磁电耦合效应密切相关。发现占主导地位的双线谱四极劈裂的数值随着铁掺杂量的增大而逐渐递减，这说明了铁的掺杂有效地减弱了Jahn-Teller畸变。研究了铁掺杂的TbMnO3单晶中Jahn-Teller畸变对磁电性质的影响，分析表明Jahn-Teller畸变决定着近邻和次近邻离子间磁交换作用的竞争关系，当掺杂量达到x≥0.05时，长程有序的螺旋磁结构被破坏，形成了简单反铁磁结构。温度依赖的介电谱表明这一体系的铁电转变是和螺旋磁结构密切相关的。.在此基础上，我们还发现重稀土铁氧体的多铁性氧化物单晶的具有大的各向异性磁热效应。在RFeO3（R=Tb,Tm,Dy）单晶中获得大的各向异性磁热效应及大的旋转磁熵变。发现TbFeO3单晶及TmFeO3单晶的磁化强度具有很大各向异性磁热效应。TbFeO3单晶在70 kOe的外加磁场下峰值分别达到24.05 J/kg K及20.18 J/kg K，而c轴磁熵变值低了一个量级。TmFeO3单晶c轴磁熵变值峰值为11.93 J/kg K，而ab面则表现出低一个量级的磁熵变值。通过选择非磁性元素Y代替稀土元素，结果表明YFeO3单晶磁各向异性很小，磁熵变值几乎为0，可被忽略，表明各向异性磁热效应主要来源于稀土磁次晶格的贡献，磁热效应的各向异性与稀土离子的电子云密切相关。.进一步我们在La0.7Sr0.3MnO3材料中也同时观测到优异微波吸收特性和大磁热效应共存现象，这些发现有望解决吸波材料在电磁吸收过程中的温度升高和红外辐射问题，有助于开发集微波吸收和磁制冷于一体的多功能材料，为开发微波器件和电磁屏蔽的应用提供一种新途径。