多鐵性材料的磁電效應研究.pdf

1、多鐵性材料是指在一定溫度范圍內同時存在鐵磁序和鐵電序或鐵彈序的體系。近些年來由于鐵磁序和鐵電序共存耦合而產生的某些新功能如磁電效應、磁介電效應，蘊含著的多種有序的耦合機制以及可預期的廣闊應用前景而倍受人們的關注。在本論文中，我們主要就單相多鐵性材料YMnO3的磁電耦合機理，復相納米多鐵性1-3型和準2-2型薄膜材料的磁電、逆磁電等效應分別運用基于密度泛函理論的第一性原理對非共線磁性結構的計算和朗道-德文希爾熱力學理論與磁致伸縮理論結合的

2、方法，進行了詳細的研究和分析。主要內容如下：
　　 1.六角鈣鈦礦YMnO3磁電耦合的第一性原理研究
　　 基于第一性原理的共線磁性結構計算，人們已經對單相多鐵性六角鈣鈦礦材料YMnO3的磁電耦合效應進行了較為全面的研究，但給出的結論仍然明顯不能解釋實驗結果。在本文中，我們首次應用第一性原理的非共線磁性結構計算，并通過對不同磁性結構構型計算結果的比較，系統(tǒng)地研究了YMnO3材料中Mn離子的自旋三角阻挫作用、自旋-軌道耦合

3、作用等對系統(tǒng)的能隙、磁矩、電子結構、軌道雜化和離子波恩有效電荷等的影響，從而對YMnO3中的多鐵性起源提出了很好的第一性原理解釋，并較好解釋了相關實驗結果。計算結果表明，由于自旋的三角阻挫排列和自旋-軌道耦合作用，晶體具有最穩(wěn)定結構，費米面附近能隙加大，各離子位置和Mn離子的磁矩等都與實驗值最為吻合。Y4d-O2p電子發(fā)生強烈軌道雜化，Mn3d-O2p軌道間的作用相對變弱，偏離中心的Y離子和O(3,4)離子的波恩有效電荷異常增大，表明Y

4、離子4d0軌道與O的2p軌道的重新雜化驅動了該材料中Y離子中心偏移，導致鐵電極化。我們應用Heisenberg模型，擬合不同自旋構型的總能量，得到了錳離子間的自旋交換作用。發(fā)現由于強烈的層內Mn離子的反鐵磁性耦合，使得平面內構成三角形網絡結構的相鄰Mn離子的自旋形成2π/3角的阻挫，而層間耦合是一種較弱的反鐵磁作用，其強度小于層內電子自旋的次近鄰耦合作用。此外，通過考慮電子強關聯作用，我們還發(fā)現自旋阻挫導致費米面下電子態(tài)密度更加局域，M

5、n3d和O2p態(tài)雜化進一步減弱，基態(tài)能隙進一步打開，Mn離子磁矩增加。
　　 2.1-3型納米多鐵復合薄膜中的磁電效應
　　 對于1-3型納米多鐵性復合薄膜，雖然實驗和理論已進行了大量的研究，并且發(fā)現室溫下存在較大的磁場誘導的電極化和電場誘導的磁化，但對于其中不同方向的外磁場誘導的電極化、磁電耦合的基本形式以及電場誘導的磁化翻轉等還缺乏系統(tǒng)的理論解釋。本文中，我們首先將朗道-德文希爾熱力學理論與磁致伸縮理論相結合，將薄膜

6、和基底間、鐵電和鐵磁兩相界面間的應變都分為晶格失配應變和磁致伸縮應變兩部分，同時考慮晶格失配應變隨薄膜厚度增加出現馳豫以及界面約束對薄膜性質如壓電系數的修正，研究鐵電相靜態(tài)介電性質、壓電性質和磁場誘導的電極化隨厚度的變化等，重點研究了不同方向的外加磁場誘導的垂直于基平面方向的電極化隨外磁場的變化，證明磁場誘導的電極化非常強烈依賴于薄膜中磁性納米柱的各向異性磁致伸縮和兩相界面的耦合情況。為了研究電場誘導的磁化翻轉以及磁化翻轉與電極化翻轉的

7、關聯，我們對鐵電和鐵磁相均從朗道-德文希爾熱力學唯象理論出發(fā)，考慮磁電薄膜與基片的機械邊界條件，在兩相界面處引入晶格相容條件，并與力學平衡態(tài)方程結合，兩次重整介電和磁性作用系數后，首次得到了1-3型納米多鐵復合薄膜在朗道自由能函數下的磁電二次耦合的一般性形式。通過對不同溫度和不同厚度下薄膜的電滯曲線和電場誘導的磁滯曲線比較，發(fā)現外加電場不僅能誘導極化場翻轉，由于鐵電和鐵磁兩相界面豎直方向的彈性耦合，導致磁化也隨極化同步翻轉，從而很好地解

8、釋了實驗中觀測到的電致磁化翻轉行為。同時我們也定性地發(fā)現，由于位錯導致的晶體缺陷使得薄膜內存在較大的剩余應力，這雖然有利于提高薄膜自發(fā)的鐵電極化和磁化，然而卻不利于外場誘導的電極化或磁化的提高，即缺陷的存在對磁電耦合效應的提高具有抑制作用。
　　 3.準2-2型異質外延薄膜的磁電效應
　　 異質外延鐵電薄膜具有不同于體材料的物理性質，這主要取決于薄膜所處的應力狀態(tài)。對于不同生長條件的薄膜，由于應力強度的不等，決定了其具有

9、不同的介電、壓電性質。通過外加磁場改變基底應變（應力），由于界面的耦合，調節(jié)薄膜受到的應力，也可控制薄膜的極化性質。這里為了研究準2-2型異質外延鐵電薄膜中磁場誘導的電極化，我們將修正的壓電、壓磁的本構方程與朗道-金茲堡-德文希爾熱力學理論相結合，對于一定厚度的薄膜，通過引入有效剩余應變和界面標度因子的概念，對極化、壓電和介電系數等進行自洽求解，從而分析該薄膜中總的極化和磁場誘導的電極化。研究發(fā)現，橫向磁場誘導的縱向電極化隨著外加磁場的

10、增加而非線性地增加，其非線性變化的趨勢與磁性相的橫向磁致伸縮變化相似。而由于磁場誘導的磁致伸縮在相變溫度時最大，導致磁場誘導的電極化也是在磁相變溫度時達到最大值，進一步證明了該薄膜中的磁電效應與磁致伸縮相關，定性地解釋了實驗結果。同時我們也計算了當外加磁場使磁性相處于飽和磁致伸縮時，磁電電壓隨溫度的變化。我們選擇了可與實驗結果比較的本底穩(wěn)恒磁場、交變場和一定厚度的薄膜，且假定界面標度因子為1，計算發(fā)現其在磁性相變溫度時達到最大，理論結果