几何铁电性RMnO3多铁体系中的畴结构调控及微结构研究

Hexagonal RMnO3 （R=Ho-Lu, Y, Sc）is a geometric ferroelectric multiferroic material, in which the polarization mechanism, vortex domain structure and anisotropic conductance at ferroelectric domain walls are all correlated with its microstructure properties. The novel polarization mechanism and unique magnetoelectric coupling effect observed in this material system hints the significant potential in future micro electric applications. Our preliminary results on RMnO3 demonstrates that the ferroelectric domains structure can be tuned by various factors and SEM secondary-electron imaging is a powerful technique to reveal the domain structures in the kind of materials at a high-spatial resolution within a large-field of view. In this project we will optimize the crystal quality and systematically investigate the structural, magnetic and transport properties of the as made crystals; the influence of element radius and magnetic feature on the domain patterning and distribution will be investigated via selective substitution and doping, which will finally lead to the realization of controllable domain engineering; the dynamic evolution of domains under applying external field as well as varying temperature will be studied by in-situ TEM and SEM; local polarization and domains wall structural feature at atomic level will be revealed by Cs corrected TEM, which will provide useful information for fully understanding the polarization mechanism and correlation between ferroelectric and antiphase structural domains.

六方结构RMnO3 （R=Ho-Lu，Y 和Sc）是一个典型的几何铁电性多铁体系，其微观铁电极化机制，涡旋铁电畴以及反常的畴界导电行为都和其微结构存在密切的联系。研究表明，这一材料体系表现出独特的磁电效应和新型铁电机理,在研制可控性多功能微电子器件方面具有广阔的应用前景。我们对RMnO3体系电畴结构进行了初步分析，可以看出这种材料中的铁电畴具有较强的可调控性。同时，我们还发展了扫描二次电子模式直接观察铁电畴分布特性的技术方法。本项目将深入研究RMnO3系列材料的成相规律和物理特性（包括：结构，磁性，输运等）；通过元素替代/掺杂研究不同的离子半径、磁结构对铁电畴分布特性的影响，努力实现该体系铁电畴结构的调控; 利用SEM/TEM和PFM技术分析铁电畴随温度及外加电场下动态行为；利用球差矫正的透射电镜观察该体系的局域极化行为，探讨微观极化机制，澄清在不同晶面上铁电畴壁与结构反相畴壁之间的关系。

六方结构RMnO3是一个典型的几何铁电性多铁体系，其微观铁电极化机制，涡旋铁电畴以及反常的畴界导电行为都和其微结构存在密切的联系。这一材料体系表现出独特的磁电效应和新型铁电机理,在研制可控性多功能微电子器件方面具有广阔的应用前景。本研究项目主要研究内容包括：制备了系列高质量单晶，通过元素替代/掺杂研究了不同的离子半径、磁结构对铁电畴分布特性的影响，调控了该体系铁电畴结构；发展了扫描二次电子模式直接观察铁电畴分布特性的技术方法；发现了一些与应力分布相关的特殊铁电畴构型；运用代数拓扑学中的同伦理论对RMnO3体系中涡旋中心和畴壁两类拓扑缺陷随温度变化的演变规律以及其内部结构进行了讨论，利用球差矫正STEM技术对涡旋中心处的原子结构进行了直接观察，并澄清了会使原子衬度模糊的“叠加效应”，在排除该效应的基础上对涡旋中心的微观结构特性进行了研究；利用低温水热法成功制备了YMnO3及YMn1-xFexO3系列摻杂样品，并对样品中的铁电畴结构进行了系统研究，利用球差矫正透射电镜观察了样品中的局域极化行为，提出高温相变不是引起该体系拓扑畴的唯一物理机制。