多阶有序钙钛矿多铁性材料的高压制备与物性

钙钛矿是研究磁电多铁性最重要的材料体系之一.由于高的结构对称性,在以往的立方钙钛矿晶格中尚未发现多铁现象.另外,现有的单相多铁性材料很难兼容大电极化和强磁电耦合,严重制约多铁性材料的潜在应用.本文简单综述了利用高压高温条件制备的两个多阶有序钙钛矿氧化物的磁电多铁性质.在具有立方晶格的多阶钙钛矿LaMn_3Cr_4O_(12)中,观察到自旋诱导的铁电极化,表明该材料是第一个被发现的具有多铁性的立方钙钛矿体系.在另一个多阶有序钙钛矿BiMn_3Cr_4O_(12)中,随温度降低该材料依次经历了I类多铁相和II类多铁相.正因为这两类不同多铁相的同时出现,BiMn_3Cr_4O_(12)同时展示了大的电极化强度和强的磁电耦合效应,并且通过不同的电场调控可实现四重铁电极化态,为开发多功能自旋电子学器件与多态存储提供了先进的材料基础.     

外延应变和铁电极化双重调控LaMnO3/BaTiO3超晶格的磁性

对钙钛矿锰氧化物的磁性进行调控在科学上具有重要意义,在自旋电子学领域更是有紧迫需求.利用外延应变和铁电极化双重调控超晶格材料的磁性不但更加接近体系的真实状态,而且能诱导出丰富的物理性质.本文采用第一性原理计算,系统地研究了外延应变和铁电极化对LaMnO₃/BaTiO₃超晶格磁性的鲁棒控制.通过精确调控Mn原子磁矩的大小和方向,实现了铁磁?反铁磁?亚铁磁之间的可逆转变,同时产生了强烈的磁电耦合效应.除此之外,本文在超晶格中实现了铁电极化和金属性共存.通过分析Jahn-Teller效应,氧八面体旋转、倾斜以及体系内部电子转移对磁性的影响,揭示了磁性调控的物理机制.研究结果不但对系统地了解LaMnO₃体系的磁性变化具有重要意义,而且可以为设计基于钙钛矿锰氧化物的自旋电子器件提供理论指导.     

激发态电荷转移有机体的多铁性研究

随着人们对多铁性的深入了解,越来越多不同类型的有机多铁材料被合成出来.激发态电荷转移有机体的电荷转移网络是由一个提供电子的分子(给体donor,D~+)和一个接受电子的分子(受体acceptor,A~-)有序排列后构成的.D~+A~-长程有序排列,其激发态(激子)具有较长寿命和±1/2自旋,这是产生室温铁电性和铁磁性的根本原因.激发态容易受外场刺激,因此光照、磁场、电场、应力等能够很好地调控这类材料的铁电极化、磁矩和相应的磁电耦合系数.激发态电荷转移有机体不仅大大丰富了室温多铁材料体系,而且可以为开发新型多功能电子器件提供材料基础和技术储备.     

钙钛矿型氧化物非常规铁电研究进展

钙钛矿型氧化物因具有丰富的磁性、铁电、力学和光学等诸多功能属性,在电子信息通信材料器件领域中有广阔的应用前景.在各种物理性质之中,铁电极化因其产生机制多样,并能与磁性和晶格应变相互耦合形成多铁性等特点,近十多年来一直被作为凝聚态物理研究的国际热点问题.与以自发极化作为初级序参量的常规铁电材料不同,非常规铁电材料中的铁电极化是被其他的序参量诱导而产生的.本综述围绕无机钙钛矿型氧化物非常规铁电体的研究进展进行了总结.回顾了该体系经典唯象理论和原子尺度的微观模型,有序排列的人工钙钛矿超晶格型结构,以及稀土正铁氧体单晶的反铁磁畴壁结构中非常规铁电的极化强度大小及其诱导机制,为系统理解非常规铁电提供了理论途径.     

Pr掺杂对DyMnO3体系结构、磁性与电极化特性的影响

本文报告了Pr掺杂对Dy_(1-x)Pr_xMnO_3多铁性化合物结构与磁电性能的影响.研究表明Pr的掺杂增强了A位离子Dy与B为离子Mn之间的相互作用,提高了DyMnO_3的磁化与电极化强度.其机理可归结为Pr~(3+)掺杂使得Dy~(3+)在低温条件下的磁矩排列发生变化,使得Dy与Mn的螺旋耦合作用增强,从而提高了的体系的宏观磁性能和电极化强度.     

BiFeO3中各离子在铁电相变中作用本质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的广义梯度近似方法和赝势平面波法,对多铁材料BiFeO₃的铁电反铁磁相和可能的高温顺电相的电子结构进行了第一性原理研究.计算验证了BiFeO₃基态为G型反铁磁有序,Fe离子的理论磁矩与实验值相符.铁电相变发生后,Bi-6s态和6p态发生了电荷转移,Bi-6s电子的作用更加明显.Born有效电荷的研究表明铁电畸变主要表现为Bi原子的位移,并且电极化强度计算值很好地符合薄膜实验结果.部分态密度的计算表明Bi-6p态的成键轨道与反键轨道间的能量劈裂 关键词： 第一性原理 铁电性 铁电畸变 反铁磁性     

铁电极化翻转对硅烯异质结中电子性质的调控

硅烯是硅原子蜂窝状排列构成的二维材料,由于其层内硅原子不在同一平面上而易受到电场等调控,近年来成为理论和实验研究的一个热点.借助于第一性原理计算方法,详细研究了硅烯和二维铁电材料In₂S₃单层材料异质结的堆垛形式和电子结构.计算结果表明,硅烯和In₂S₃可以形成稳定的异质结,In₂S₃衬底的自发铁电极化对硅烯能带有显著调控作用.铁电极化方向向上时,自发极化电场和衬底的共同作用在狄拉克点打开能隙,K和K’点贝利曲率符号相反,对应能谷霍尔效应态.铁电极化方向向下时,硅烯和In₂S₃之间间距变小,费米能级有能带穿过,对应金属态.研究结果对铁电调控硅烯二维异质结提供参考,为硅烯异质结在信息存储领域的应用指明方向.     

V,Cr,Mn掺杂MoS2磁性的第一性原理研究

基于第一性原理的自旋极化密度泛函理论分别研究了过渡金属V, Cr, Mn掺杂单层MoS₂的电子结构、 磁性和稳定性. 结果表明: V和Mn单掺杂均能产生一定的磁矩, 而磁矩主要集中在掺杂的过渡金属原子上, Cr单掺杂时体系不显示磁性. 进一步讨论双原子掺杂MoS₂ 体系中掺杂原子之间的磁耦合作用发现, Mn掺杂的体系在室温下显示出稳定的铁磁性, 而V掺杂则表现出非自旋极化基态. 形成能的计算表明Mn掺杂的MoS₂体系相对V和Cr 掺杂结构更稳定. 由于Mn掺杂的MoS₂ 不仅在室温下可以获得比较好的铁磁性而且其稳定性很高, 有望在自旋电子器件方面发挥重要的作用. 关键词： 2')" href="#">单层MoS₂ 掺杂 铁磁态 第一性原理     

铁单质薄膜磁致伸缩行为与磁矩演化研究

磁致伸缩材料在传感器、位移器件等领域应用前景广阔,对此类材料的制备与实验已成为研究热点,但使用分子动力学方法模拟其磁致伸缩过程中内部磁矩的演化仍缺乏相关研究.本研究以磁致伸缩材料铁单质为研究对象,采用分子动力学方法建立单畴铁单质磁致伸缩模型.分析了铁单质薄膜磁致伸缩行为随初始磁矩的变化,以及在磁场作用下微观原子磁矩的变化与宏观磁致伸缩之间的关系.结果表明:模型磁化构型的演化与磁致伸缩行为有着密切联系,随着外加磁场强度增大,原子磁矩与外加磁场方向相同的区域面积逐渐增大,宏观表现为模型的磁致伸缩随磁场强度增大而伸长,并最终达到饱和,而边界处的原子磁矩是模型是否达到饱和磁致伸缩的关键.     

半氢化石墨烯与单层氮化硼复合体系的电子结构和磁性的调控

采用密度泛函理论第一性原理的PBE-D_2方法,对半氢化石墨烯与单层氮化硼(H-Gra@BN)复合体系的结构稳定性、电子性质和磁性进行了系统的研究.计算了六种可能的堆叠方式,结果表明:H-Gra@BN体系的AB-B构型是最稳定的,为铁磁性半导体,上、下自旋的带隙分别为3.097和1.798 e V;每个物理学原胞具有约1μB的磁矩,该磁矩主要来源于由未氢化的C_2原子的贡献;在z轴方向压应力的作用下,最稳的H-Gra@BN体系的电子性质由磁性半导体转变为半金属,再转变为非磁性金属;预测了一种能方便地通过应力调控电子性质和磁性质的新型材料,有望应用在纳米器件以及智能建筑材料等领域.     

量子顺电EuTiO_3材料基态磁性的第一性原理研究

EuTiO_3是钙钛矿结构的量子顺电体,实验发现其基态具有平面各向异性G类反铁磁结构,本文运用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了EuTiO_3处于量子顺电相和应力作用下处于铁电四方相时可能的自旋取向和自旋交换耦合作用,分析了自旋耦合作用的路径,探讨了应力对磁性交换路径的作用,结果发现:当体系自由时,EuTiO_3具有自旋沿[110]方向平面内单轴各向异性的G类反铁磁结构,该结构下Eu离子4f电子自旋通过处于面心位置的O 2p实现自旋反铁磁性的超交换耦合,而在外加应力诱导的铁电四方结构下,由于自旋交换路径中Eu—O—Eu键角改变,Eu 4f电子自旋实现了[110]方向的铁磁交换耦合。     

Studies on Electronic Structure and Magnetic Properties of an Organic Magnet with Metallic Mn^2＋ and Cu^2＋ Ions

The electronic structure and the magnetic properties of the non-pure organic ferromagnetic compound MnCu(pbaOH)(H2O)3 with pbaOH=2-hydroxy-1, 3-propylenebis (oxamato) are studied by using the density-functional theory with local-spin-density approximation. The density of states, total energy, and the spin magnetic moment are calculated. The calculations reveal that the compound MnCu(pbaOH)(H2O)3 has a stable metal-ferromagnetic ground state, and the spin magnetic moment per molecule is 2.208 μa, and the spin magnetic moment is mainly from Mn ionand Cu ion. An antiferromagnetic order is expected and the antiferromagnetic exchange interaction of d-electrons of Cu and Mn passes through the antiferromagnetic interaction between the adjacent O, 0, and N atoms along the path linking the atoms Cu and Mn.     

Neutron diffraction study of magnetic ordering in ErMn2Si2, ErMn2Ge2 and ErFe2Si2

Neutron diffraction study of polycrystalline compounds ErMn₂Si₂, ErMn₂Ge₂ and ErFe₂Si₂ was performed in the temperature range between 1.8 and 293 K. All compounds have tetragonal, ThCr₂Si₂-type crystal structure. The antiferromagnetic collinear structure of ErMn₂Si₂ and ErMn₂Ge₂ at both RT and LNT, consists of a sequence + - + - of ferromagnetic layers of Mn atoms. The magnetic moment of an Mn atom (≈2μ_B) is parallel to the c-axist. At low temperatures (LHT and lower), the ferromagnetic ordering within the Er sublattice is observed. The magnetic moment (μ_Er ≈ 9μ_B) is perpendicular to the c-axis. From the temperature dependence of the intensities of the magnetic peaks, the following values for the Curie temperatures were obtained: (10±5) K for ErMn₂Si₂ and (8.5±3) K for ErMn₂Ge₂. For ErFe₂Si₂ a collinear antiferromagnetic structure of the + - - + type was found, the magnetic unit cell consisting of the chemical one, doubled along the c-axis.     

High-temperature ferromagnetism in Zn1−xMnxO semiconductor thin films

Clear evidence of ferromagnetic behavior at temperatures >400 K as well as spin polarization of the charge carriers have been observed in Zn_1−xMn_xO thin films grown on Al₂O₃ and MgO substrates. The magnetic properties depended on the exact Mn concentration and the growth parameters. In well-characterized single-phase films, the magnetic moment is 4.8 μ_B/Mn at 350 K, the highest moment yet reported for any Mn doped magnetic semiconductor. Anomalous Hall effect shows that the charge carriers (electrons) are spin-polarized and participate in the observed ferromagnetic behavior.     

BaTiO_3/La_(0.67)Sr_(0.33)MnO_(3-δ)复合薄膜的磁致电极化和磁介电特性研究

采用脉冲激光沉积法制备了BaTiO_3(BTO)与缺氧的铁磁绝缘态La_(0.67)Sr_(0.33)MnO_(3-δ)(LSMO)构成的磁电复合薄膜,研究了20—300K温度区间内磁场对电极化特性和介电特性的影响.研究发现,施加磁场使得电滞回线的剩余极化强度和矫顽场均增大,其变化率峰值分别为111.9%和89.6%,峰值温度分别为40K和60K.异质结具有显著的磁介电效应,在测量温度区间内,磁场使得介电常数增大,介电损耗减小.在0.8T场强下,介电常数的最大磁致变化率出现在60K,达到了300%,而介电损耗也在此温度实现了最大变化,减小为零场时的50.9%.该磁电复合薄膜的磁致电极化和磁介电特性的极值均出现在LSMO层的磁电阻峰值温度附近,这说明磁场对电滞回线和介电参数的调制应该源自电荷相关的耦合作用.其可能的机理是磁场使得锰氧化物中的Mn离子局域磁矩趋于有序排列,并通过自旋-轨道耦合以及界面效应间接影响了BTO的电极化特性.研究结果对于多铁器件的开发和应用具有重要意义.     

Mn掺杂(ZnSe)12团簇物性研究

采用密度泛函理论研究Mn原子单掺杂和双掺杂（ZnSe）₁₂团簇的结构、电子性质和磁性质.考虑三种掺杂方式：替代掺杂,外掺杂和内掺杂.比较掺杂团簇的稳定性.结果表明：无论是单掺杂还是双掺杂,替代掺杂团簇是最稳定结构.在结构优化的基础上对掺杂团簇进行磁性计算.团簇磁矩主要来自Mn原子3d态的贡献,4s和4p态贡献了一小部分磁矩.由于轨道杂化,相邻的Zn和Se原子上产生少量自旋.研究发现：内双掺杂团簇是铁磁耦合,在纳米量子器件领域有潜在的应用价值.     

Role of vacancy-type defects in magnetism of GaMnN

Role of vacancy-type(N vacancy(VN) and Ga vacancy(VGa)) defects in magnetism of GaMnN is investigated by first-principle calculation.Theoretical results show that both the VNand VGainfluence the ferromagnetic state of a system.The VNcan induce antiferromagnetic state and the VGaindirectly modify the stability of the ferromagnetic state by depopulating the Mn levels in GaMnN.The transfer of electrons between the vacancy defects and Mn ions results in converting Mn~(3+)(d~4) into Mn~(2+)(d5).The introduced VNand the ferromagnetism become stronger and then gradually weaker with Mn concentration increasing,as well as the coexistence of Mn~(3+)(d~4) and Mn~(2+)(d~5) are found in GaMnN films grown by metal–organic chemical vapor deposition.The analysis suggests that a big proportion of Mn~(3+)changing into Mn~(2+)will reduce the exchange interaction and magnetic correlation of Mn atoms and lead to the reduction of ferromagnetism of material.     

NMR study of coexistence of ferro- and antiferromagnetism in (Zr1−xNbx)Fe2

The magnetic phase diagram has been investigated in the C14 type (Zr_1−xNb_x)Fe₂ with x0.7 from ⁹³Nb NMR and magnetization measurements. In the compound with x = 0.825 a first order-like transition has been found to occur around 25 K from a canted state with the ferromagnetic moment in the basal plane to a ferromagnetic state with decreasing temperature.     

顺磁性La2/3Sr1/3MnO3层对Bi0.8Ba0.2FeO3薄膜多铁性能的影响

界面效应在提升异质结构材料的多铁性能方面有着重要的作用. 本文采用脉冲激光沉积技术在SrTiO₃(STO)基片上制备了Bi_0.8Ba_0.2FeO₃(BBFO)/La_2/3Sr_1/3MnO₃(LSMO)异质结. X-射线衍射图谱表明异质结呈现单相外延生长, 利用高分辨透射电镜进一步证实了BBFO为四方相结构. X-射线光电子能谱证实异质结中只存在Fe³⁺ 离子, 没有产生价态的变化, 揭示了异质结铁电和铁磁性的增强与BBFO/LSMO的界面有关. 同时, 测试了磁电阻(MR)和磁介电(MD), 当磁场强度为0.8 T, 温度为70 K时, MR约为-42.2%, MD约为21.2%. 并且发现在180 K时出现磁相的转变. 实验结果揭示出异质界面效应在提升材料的多铁性和磁电耦合效应方面具有超常的优点, 是加快多铁材料实际应用的有效途径.     

A magnetic pair-breaking effect in rare earth-doped manganites

The magnetic properties of La_0.60R_0.07Di_0.33MnO₃ ferromagnetic manganites (Di = Sr, Ba) are studied, where La is partly replaced by magnetic rare earths R. It is shown that (i) there is a ferromagnetic coupling between Mn and R spins, (ii) the Curie temperature is lowered compared to the parent La compound and (iii) its depression is correlated with the effective moment of the rare earth ion. This last relation is tentatively explained by a magnetic pair-breaking effect, where fluctuating R moments lower the double-exchange coupling between Mn atoms.