钙钛矿超晶格中氧八面体扭转导致的新型多铁性调控研究

Multiferroic materials have received widespread attentions for their application potentials in multi-function memory and storage. However, either the polarization and the phase transition temperature are low, or the magnetoelectric coupling is weak in the existing single phase multiferroic materials and the heterostructures consisting of ferroelectric and ferromagnetic materials directly at present. It's suggested in recent studies that the hybrid improper ferroelectricity mechanism with two kinds of octahedral rotations, not only can improve the polarization magnitude and phase transition temperature, but also can change the magnetic order and strengthen the magnetoelectricity by the octahedral rotation. In this project, we will choose the perovskite superlattice R/A(or R/R')M2(or MM')O6 with rotated octahedral as the object and systematically investigate the effects of the chemical pressure (the different size of the R elements), interface effects and external strain on the magnetic order, ferroelectricity, magnetoelectric coupling and phase transition temperature in this kind of the superlattice by performing first principles calculations and Monte Carlo methods, here, R(or R') and A are rare earth cation and alkali metal element respectively, M(or M') elements are Ti, Mn, Co and Ni magnetic transition-metal ions. We will explore the physical mechanism and seek excellent performing multiferroic materials by analyzing data and summarizing the rule. This project will provide scientific basis for the real application of the multiferroic materials in multi-functional devices, so it has an important academic significance.

多铁性物质因具有多自由度存储功能而受到广泛关注。然而，目前存在的单相多铁性材料以及由铁电-铁磁直接组合而成的异质结，存在要么极化小、相变温度低，要么磁电耦合性弱的缺点而无法应用。最新研究表明，氧八面体两种扭转模式耦合导致的杂化非寻常铁电机制不仅可以提高极化大小和相变温度，且可通过氧八面体扭转方式改变磁序和提高磁电耦合性。本课题采用第一性原理和蒙特卡洛模拟的方法，以含有氧八面体扭转的R/A(或R/R')M2(或MM')O6型钙钛矿超晶格为对象，系统研究化学应变、界面效应和外延应变对此类超晶格的磁序、铁电性、磁电耦合性和相变温度的影响规律，其中，R(R')与A分别为稀土和碱金属元素，M(M') 为Ti、Mn、Fe、Co和Ni等磁性元素。分析数据，总结规律，探究其物理机理，以寻求性能优异的多铁性材料。本课题将为真正实现多铁性在多功能存储器件中的应用提供科学依据，具有重要的学术和现实意义。

钙钛矿材料中氧八面体旋转和倾斜两种畸变模式耦合不仅可导致杂化非寻常铁电性的出现，还可提高极化大小、相变温度、改变磁序、电子结构和磁电耦合性，从而引起广泛关注。本项目主要研究了化学应变和外延应变对氧八面体畸变的影响，进而改变了钙钛矿RMO3 组成的超晶格的电子结构、铁电性、磁性及磁相变温度。研究了B位化学应变对LaMO3/YMO3 (M=Cr, Mn, Co, Ni)的磁性和杂化非寻常铁电性影响，获得由于电子态占据能量不同，不是所有体系都能显示铁电性，同时得到该体系的磁基态和磁相变温度随化学变发生变化；其次，研究了A位化学应变和外延应变对LaMnO3/RMnO3(R= Pr, Pm, Sm, Gd)超晶格电子结构、磁序及铁电性的影响，发现化学应变对该类超晶格的磁序没有影响，极化随氧八面体畸变程度变大而变大，而外延应变从张应变变化到压应变可使体系从反铁磁非金属性变化到铁磁金属性，同时使铁电极化依次从小变大直至金属性而为零；由于碱金属超晶格在实验上较难合成，我们调整了研究体系，研究了钙钛矿Ho1-xGdxMnO3在一定的组分下发生磁相变和多铁相的分离，结果表明这一现象与氧八面体的畸变有直接的关系。为了充分的理解氧八面体扭转对钙钛矿性能的影响，我们还研究了LaMnO3薄膜的铁磁非金属性以及钙钛矿FAxMA1-xPbI3和LiFe5O8的光学性质。在开展以上研究内容的同时拓宽了一些薄膜的力学性质及器件的输运性质研究等。氧八面体不同畸变可调控的多铁性、磁电耦合性、电子结构和光学性质表明钙钛矿在多自由度存储和光电转化效应方面有着非常好的应用前景。到目前为止，在该项目的资助下，我们已经发表了10篇SCI论文，培养硕士生2名，江苏省优秀本科毕业生1名。