高压下钙钛矿型多铁材料的结构相变及晶格动力学研究

The project will significantly focus on perovskite multiferroics, such as epitaxial EuTiO3 and BiFeO3, fabricated by the pulsed laser deposition method. In this project, we can not only achieve the in-situ optical observation and spectra measurements, but also analyze lattice dynamics during the structure phase transition drived by the high pressure with the aid of some advanced condensed matter spectroscopic coupling with diamond anvil cell. Moreover, we will further study the optoelectronics properties, magnetic electric coupling and magneto-optical effect under the different external conditions such as light, electric and magnetic field. Based on the first principle calculation, the intrinsic relationship between the high pressure and lattice dynamics, phonon modes and spontaneous polarization of multiferroics can be well explained. The project will offer novel method for using the high pressure way to regulate the phase structure and lattice dynamic behavior.

本项目以钙钛矿结构的钛酸铕和铁酸铋多铁材料为研究对象，采用脉冲激光沉积方法外延高质量多铁材料，将金刚石对顶砧与凝聚态光谱相耦合，实现多铁材料在高压下的原位观察及原位光谱测量，详细研究多铁材料在高压驱动结构相变过程中的晶格动力学行为。结合光场、电场、磁场等外部条件诱导，研究高压下多铁材料体系中的光电特性、磁电耦合及磁光效应等随外场的演变规律。结合第一性原理计算，揭示高压下多铁材料体系中晶格、声子及自旋极化等新物理特性的变化规律，建立高压调控多铁材料相结构以及晶格动力学行为的有效途径。

多铁材料中同时存在复杂的电荷、自旋、晶格和轨道自由度，并这些自由度的交互耦合作用，使得这些材料产生了新颖的磁学、电学和光学等各种奇异的性质。因此针对这两种典型钙钛矿结构多铁材料的物理特性研究特别是揭示其多铁性的起源、自旋极化机制是当前亟需解决的核心科学技术问题。高压是不断调整材料晶体结构与其电子结构的有力工具，通过外加压力可以直接缩短原子之间的距离，进而调控电子云之间的交叠程度和磁交换作用，从而对它们的结构、磁学性能、光学性能及电学性能进行调节。因此压力作为一个新的维度，可以与温度，电场、光场及磁场相结合，对多铁材料体系中的光电磁性能以及三者之间的相互耦合作用进行调控。现如今对于多铁材料体系的高压研究仅限于材料制备阶段，而在高压下这些钙钛矿型多铁材料的电学性质、光学性质以及相关的物理特性方面仍然没有完全弄清楚。.本项目主要利用多种凝聚态光谱手段，结合第一性原理计算，重点研究了在高压下钙钛矿型多铁材料的结构相变、晶格振动、多铁性起源及其自旋极化调控等新的物理机制。通过它们的晶体结构、空间维度与光场、电场及压力的耦合作用，探索其压力作用下奇异的物理现象，进而揭示其相结构和晶格动力学行为的高压调控机制。通过金刚石对顶砧技术与凝聚态光谱相耦合，实现多铁材料的原位观察与原位测量，解释其高压下晶体结构变化的本征物理起源及其晶格动力学行为的调控机理，实现对它们的凝聚态光谱响应有着全面系统的认识，最终给出详细而且比较清晰的物理图像，进而为以多铁材料为基的自旋电子器件设计提供有力指导。该研究所取得一系列相关工作发表在《Science》、《Physical Review B》上，应邀参加国内学术会议3次。综上所述，本项目不仅高质量地完成了任务书中各项要求及指标，而且还延伸了项目成果至其它相关研究领域，为项目的可持续性研究提供了依据。