多铁性薄膜材料的磁电耦合增强及磁熵特性的研究

以同时具有（反）铁电序和（反）铁磁序的单相多铁性薄膜材料为研究对象，重点研究其磁电耦合增强效应和磁熵特性。将采用基于VASP软件的第一性原理计算、基于Potts模型的蒙特卡罗数值模拟和建立理论模型（如球形无规键-无规场模型，海森堡模型，唯象Landau-Ginzburg理论），系统地研究各种磁电耦合起源不同的单相多铁性材料的磁电耦合机理及其在具体材料系统中可能的实现方式，进一步探索磁电耦合的动态表现形式，激发电磁振子产生的选择定则。探索与磁场相关的磁电容和磁熵特性，研究温度、外磁场对具体薄膜材料的磁电容和磁熵的调控作用，讨论产生巨磁电耦合和巨磁熵效应的微观物理机制和有效途径。深入研究薄膜厚度，薄膜和基底之间的应力等因素对多铁性薄膜的等温熵变和绝热温度差的影响。本项目将紧密结合相关的实验研究进展，以给实验研究和电磁效应显著的新型材料设计和器件研制提供重要参考。

本项目首先研究了具有G-型反铁磁序的量子顺电体EuTiO3的多铁性。采用基于VASP软件的密度泛函理论的第一性原理计算，系统地研究了EuTiO3块状材料、考虑了氧八面体倾斜和旋转的具有氧空位的EuTiO3的电子结构及磁学性质。研究表明氧空位浓度较大时基态为铁磁基态，反铁磁-铁磁转变浓度与高温相和低温相有关。探索了产生巡游铁磁性的物理微观起源。另外，研究了LaAlO3/EuTiO3具有np-型超晶格及n-型界面异质结构的界面电子重构特性，探索了电导特性的微观物理机制。.其次，在常规铁电体BaTiO3中掺杂Co-OV complex实现室温下的铁电铁磁性。采用基于VASP软件的LDA+U第一性原理计算的方法，研究了Co离子掺杂对铁电体BaTiO3的磁性和铁电性的影响。研究发现Co离子和氧空位距离最近形成Co-OV complex时，能量最低，保持绝缘性，Co离子为+2价，处于高自旋态。进一步研究表明两个Co-OV complex沿c轴方向排列时能量最低，结构最稳定。本项研究工作和美国得克萨斯大学奥斯汀分校Prof. Alex Demkov合作完成。.第三，研究了具有非本征铁电相变的RMnO3中的动态磁电耦合效应。从海森堡模型的耦合哈密顿量出发，运用二次量子化的方法，计算了螺旋相中的自旋波色散关系，并得到了磁振子和光学声子的耦合激发模，即电磁振子的频率。从静态电极化与自旋间的关系出发，全面分析了可能出现的动态耦合方式，从而解释了拥有ab自旋螺旋平面的锰氧化物中的电磁振子。.第四，采用Landau-Ginzburg-Devonshire理论与热力学理论相结合，研究了EuTiO3薄膜、纳米线产生铁电铁磁性的条件以及熵变效应。考虑了EuTiO3薄膜与基底材料之间由于晶格常数失配产生的应力效应，纳米线的表面张力作用及纳米线的尺寸效应对绝热温度差的影响。讨论了多铁性薄膜材料EuTiO3及纳米线中产生巨熵变效应的物理条件。.第五，基于全波散射理论和Maxwell应力张量积分技术，研究了径向各向异性球形颗粒的光力。研究表明具有各向异性的瑞利球的光力在特定条件下出现异常。因此各向异性瑞利球上的光力在电耦极共振处可通过调节各向异性力增强。此部分研究成果已在Optics Express (2014)22:27355上发表。