铜基低维多铁材料高压下电子结构及物性的研究

磁电多铁材料是指兼具磁有序和铁电有序的一类新型功能材料，因其特有的磁/电调控功能和蕴含丰富的物理内涵而成为当前凝聚态与材料物理研究的热点。铜基低维多铁材料LiCuVO4具有一维自旋链结构，其磁有序和铁电有序属性强烈地受到体系自旋结构的影响。通过调控压力、组分和温度可以有效地剪裁其磁电多铁功能属性。本项目拟采用实验与理论相结合的研究方法，以高压原位物性测量和第一性原理计算为研究手段，探索铜基低维多铁材料LiCuVO4在高压下的晶体结构、电子结构及磁有序与铁电有序的演化规律；研究高压对自旋自由度、点阵自由度及其耦合的影响；探讨多铁特性的形成机理。为提高LiCuVO4铁电转变温度、改善铁电极化的强度及实际应用提供必要的科学依据。

磁电多铁材料是指兼具磁有序和铁电有序的一类新型功能材料。因其特有的磁/电调控功能和蕴含丰富的物理内涵而成为当前凝聚态物理与材料物理研究的热点。铜基低维多铁材料LiCuVO4具有一维自旋链结构，其磁有序和铁电有序属性强烈地受到体系自旋结构的影响。压力可以有效地改变体系的电子结构、原子间相互作用、电声子相互作用等微观属性，从而影响物质的宏观性质。本项目以低维多铁自旋链材料LiCuVO4为研究对象，采用实验与理论相结合的研究方法，深入探索了材料在高压下的晶体结构、电子结构及磁有序的演化规律。为调控LiCuVO4功能属性的调控及其实际应用提供必要的科学依据。在基金运行的三年中，我们认真地执行了项目申请书中的研究计划，共发表SCI收录论文12篇，超过了基金申请书的预期成果。我们取得的主要研究成果如下：.（1）我们利用高压下原位的Raman和同步辐射对于LiCuVO4在不同压力下宏观和微观晶体结构的演变进行了研究。原位高压Raman发现：当压力高于20 GPa条件下会产生新的振动模式，说明体系在此压力条件下将发生结构相变。高压同步辐射的数据也印证了Raman的结论，并且通过对于不同压力条件下的Rietveld拟合可以确定LiCuVO4随着压力的增加将发生从正交相向单斜相的结构相变。通过计算压力诱导的体积模量可以得到正交相和单斜相的体积模量分别为197 和232 GPa。.（2）我们国际上首次通过固相烧结方法制备了非磁性Zn离子掺杂的LiCuVO4样品。XRD图谱揭示了掺杂后的样品并未出现杂相峰，EDX则证实了掺杂的Zn2+离子浓度。针对Cu，V和Zn离子的高分辨率X射线光电子能谱表明Cu和V离子的价态在掺杂前后并未发生明显的变化。而标志着三维反铁磁和低维反铁磁有序的尖峰随着非磁性Zn离子掺杂逐渐消失，并在低温呈现Curie尾特征，说明非磁性离子有效地调制了反铁磁有序态，诱导出现具有顺磁态特征的孤立的Cu2+离子。.（3）我们采用CASTEP和VASP计算了LiCuVO4在不同磁结构下，其焓值和晶胞参数随着压强的变化关系。由于CASTEP无法准确的模拟材料的磁结构，导致计算的相变压强比实验值高。因此，我们采用非公度波矢Q（0.0，qy，0.0）定量描述其螺旋结构特征。计算得到的qy=0.5，这与实验值0.532符合完好。VASP的计算结果表明LiCuVO4在20 GPa时，其相对