多铁性氧化物RMnO3畴与畴壁的性质及外场对其调控的研究

Complex oxides with various ferroic orders may play critical roles in the future potential applications of low-energy cost, high density electronic devices due to their fascinating physical properties, the coupling between different ferroic orders and the ability of external control. The novel functional domains and domain walls in complex oxides emerging from the symmetry broken provide us more opportunities to study charge, spin, and orbital degree of freedom in the correlated system. Especially the magnetic, electrical properties and the ability of external fields control of domains and domain walls make these materials as potential logic circuits. Based on applicant’s recent study on ferroelectric/multiferroic single crystals and the scanning probe microscope study of domains and domain walls, this proposal focuses on single crystal growth of rare earth manganites with perovskite and hexagonal structures, and investigation of distribution and evolution of ferroelectric/multiferroic domains and domain walls. Meanwhile, we mainly study on external field control of physical properties of domains and domain walls, such as strain, magnetic and electric fields, especially on the formation mechanism and external field control of magnetic and conductive domain walls in RMnO3.

具有多种铁性序参量的复杂氧化物由于其丰富的物理性质与不同序参量之间的耦合效应，以及外场对其所具有的可调控性，成为了具备低能耗、高密度信息器件的重要候选材料。其中由对称性破缺引起的各种畴与畴壁则为我们研究关联体系中的电荷、自旋、轨道、晶格等自由度及其之间的关系提供了更广阔的空间。同时畴结构与畴壁的磁性、电性及外场对畴与畴壁的物理性质与空间分布的可调控性使之成为未来潜在的逻辑元件。本项目基于申请人近年来通过表面扫描技术对铁电、多铁性单晶中畴结构与畴壁研究，开展钙钛矿结构与六角结构的稀土锰氧化物RMnO3高质量单晶的生长，研究其铁电、多铁性畴与畴壁的分布与演化；同时着重研究其物理性质随外场如应力，磁场，电场的变化，尤其是RMnO3中具有磁性、导电性质畴壁形成的机理与外场对其的调控。

本项目以多铁性稀土锰氧化物为研究对象，以晶体生长与扫描探针显微技术，从微观尺度研究多种外场对于畴与畴壁的新奇物理性质的探索、例如外场例如电场、磁场、应力对畴与畴壁的调控，尤其是磁性畴壁与导电畴壁随外场的变化与调控。在单晶生长方面成功生长了高质量的六角锰氧化物YMnO3, ErMnO3与LuMnO3，高质量的单晶生长方法申请发明专利一项。同时对单晶YMnO3上压电力显微镜与导电原子力显微镜的细致研究，展示了六角锰氧化物中面外与面内电场下对拓扑畴结构的影响。通过室温以及变温的电输运性质测量与第一性原理的计算，揭示了由于六角锰氧化物的晶格各向异性以及在面内氧间隙更加易调控性引起的各向异性的电导。该工作的研究我们提供了一种有效的方式来控制氧缺陷从而控制晶体的导电性能。同时在应力与应力梯度方面的调控，通过研究涡漩畴展开为条纹畴的过程，发现了具有应力诱导的非公度相的存在，同时总结了应力与温度对于畴结构影响的相图。该项目也拓展研究了多种铁性序参量的材料，如二维层状铁性材料与钙钛矿结构的新功能材料，为多种新功能材料中的畴与畴壁的研究做出了一定的研究成果。