单相多铁性材料外电场下磁电耦合机理的密度泛函理论研究

Using density functional theory(DFT), we aim to systematically investigate the magnetoelectric coupling effect in single phase multiferroics, including the indirect magnetoelectric coupling and direct magnetoelectric coupling under external electric field. An appropriate physical model describing the spin-lattice-charge coupling is needed to be developed to reveal the mechanism of the direct magnetoelectric coupling and the indirect coupling mediated by magnetoelastic and piezoelectric interactions under external electric field. Our study is mainly focusing on the interaction and correlation among spin frustration, lattice structure, and ferroelectric charge ordering in magnetoelectric coupling. Our project have potential applications in information storage with high density, the emerging field of spintronics, and functional devices. Hereby, this work opens the opportunity for manufacturing new functional materials and devices, as well as the development for the whole information technology.

本研究采用从头算的密度泛函理论对单相多铁性材料外电场下的磁电耦合效应进行系统的研究。旨在探索外电场下磁序和电荷序的直接磁电耦合和通过磁序-晶格-电荷序而实现的间接磁电耦合的微观机理，揭示外电场下自旋失措、晶格结构和铁电性之间相互耦合的物理机制，从而进一步发展出能够精确描述外场下磁电耦合的物理模型。本研究有望成为揭示多铁性材料磁电耦合物理机制的有力工具，为人们进一步认识磁电耦合机理和设计新的性能优良的多铁性材料提供理论指导。为高密度磁存储器件的制备、自旋电子学器件的研制和信息产业的发展提供极为重要的理论依据。

本研究采用从头算的密度泛函理论对单相多铁性材料外电场下的磁电耦合效应进行了系统的研究。对外电场下磁序和电荷序的直接磁电耦合和通过磁序-晶格-电荷序而实现的间接磁电耦合进行了研究。发展出了能够精确描述外场下磁电耦合的物理模型，揭示了外电场下自旋、晶格结构和铁电性之间相互耦合的物理机制。对单相多铁性材料BiFeO3(BFO)外部电场下的电子特性、微观结构、自旋取向进行了深入系统的研究。研究表明BFO薄膜样品表面层原子在电场作用下沿电场方向发生位移，而内层原子则在面内移动，整个体系的磁矩主要取决于表面层Fe离子的贡献；外部电场反转时, BFO薄膜表面自旋反转，揭示了BFO表面或界面的自旋驱动磁电耦合机理，可用来制备新型电容器和磁电耦合体；施加外部电场后，三方和四方相BFO超薄膜的反铁磁序发生偏转，磁晶易轴的偏转源自于t2g轨道的重构，结合铁磁膜可制备外电场诱导铁磁反转的磁电耦合异质结构。本研究有望成为揭示多铁性材料磁电耦合物理机制的有力工具，为人们进一步认识磁电耦合机理和设计新的性能优良的多铁性材料提供理论指导，为高密度磁存储器件的制备、自旋电子学器件的研制和信息产业的发展提供极为重要的理论依据。