脉冲强磁场下的电极化测量系统

多铁性材料是当前物质科学研究的热点,具有重要的科学研究意义和应用前景.低温和强磁场实验环境为研究多铁性材料提供了一种有效途径.脉冲强磁场下的电极化测量系统能实现最高磁场强度60 T、最低温度0.5 K的铁电特性测量.该系统采用热释电方法,具有磁场强度高、控温范围广、转角测量等特点,可用于强磁场下的磁电特性研究.本文介绍了该系统的测量装置和实验原理,并展示了其在多铁性材料研究中的一系列应用,揭示了脉冲强磁场电极化测量系统在磁电特性探索中的重要作用.     

异常双钙钛矿A_2BB′O_6氧化物的多铁性

异常钙钛矿结构氧化物是多铁性材料家族中研究得最为广泛的体系之一.本文从ABO_3钙钛矿结构出发,引入了异常A_2BB′O_6双钙钛矿材料,首先简要介绍了传统及异常A_2BB′O_6双钙钛矿氧化物的结构特点;然后讨论了A_2BB′O_6多铁性材料的研究进展,包括A位为Mn,Ni等过渡金属离子的极性磁体多铁性材料和A_2CoMnO_6(A=Lu,Y,Yb,Lu)以及Mn_2FeSbO_6等第II类多铁性材料;最后,在以上基础上展望了异常A_2BB′O_6双钙钛矿多铁性研究中存在的问题及新型多铁性材料研究的方向.     

多铁性异质结:1+1≠2

基于异质结界面而得以实现的复合型多铁性或磁电耦合性质本质上是一种呈展现象,即这种性质不是其组成成分单独所具有的特性,这体现了材料体系从简单到复杂过程中的某种跳跃式发展过程,即1+1≠2。文章主要介绍了近年来在多铁性异质结上的一些研究进展,包括界面磁电效应、多铁性隧道结以及基于异质结构的电控磁性等。这些进展表明,异质结研究极有可能是多铁性研究走向实用化的突破口。     

基于铁性材料的微波器件及其仿真模拟

随着无线通讯技术的进步和发展,集成化、芯片化、阵列化的微波器件成为前沿发展方向.了解材料的基本物理性质并进行相关器件的设计仿真有助于促进对原子尺度到宏观器件性质的理解和预测,是推动微波技术发展的关键,也是信息科技发展中的重点.本文从微波器件的基本材料出发,重点介绍了铁磁、铁电以及多铁复合材料3类铁性材料的基本物理性质及其在微波器件中的应用,进而介绍了微波器件中的仿真模拟软件.     

单相多铁性材料中静态与动态磁电效应研究新进展

多铁性材料是一类新型多功能材料,其中磁有序与铁电序共存,且序参量之间存在非平庸的相互耦合效应。这使其具有巨大的工业应用前景并蕴含着丰富和有趣的基础物理问题。本文首先简要回顾多铁性材料研究的历史,重点介绍由磁有序引起的新型多铁性材料的实验和理论的新进展。随后,我们系统地概述多铁性材料中演生的一类新的元激发(即电磁振子)的物理特性以及当前对其产生机制的理解。最后,我们总结了多铁性材料研究中尚未解决的技术问题,并展望了多铁性材料的发展趋势。     

高温单相多铁性材料与强磁电耦合效应

高温多铁性与强磁电耦合效应是多铁性材料研究领域的两个核心内容。文章首先介绍了已知单相多铁性材料的分类,然后简要综述了一些具有高温多铁性与强磁电耦合效应的代表性材料体系,包括螺旋磁结构六角铁氧体、电荷有序化合物、金属—有机骨架材料等。     

多铁性十年回眸

多铁性研究可上溯至1950年代,作为凝聚态与材料物理的一个研究方向也算历史悠久;但大规模研究则主要受2003年两项里程碑性成果驱动,距今正好十年。所谓"十年树木",古训赋予我们回眸十年多铁研究的一个理由。这两项成果之一是BiFeO3外延薄膜制备及磁电耦合观测,主要贡献在于将互无交叠的磁电耦合唯象理论与多铁性微观物理框架通过铁性畴层次有机结合,触发多铁性薄膜与异质结的广泛研究。另一项成果是发现TbMnO3中巨大的磁电耦合效应,开启探索一大类具有崭新物理内涵的多铁性物质之路。对多铁性薄膜异质结的研究深入细致,体现了层层盘剥、细嚼慢咽的风格。而单相多铁性的探索则百花齐放、只争朝夕。前者如能工巧匠,其足迹是精湛研究技术方法与物理理论相结合的图画。后者如春潮奔腾,所到之处气象万千,其大观是科学发现与新材料探索的范例。文章基于粗略框架,对多铁性研究十年图景粗作描绘。有关多铁性各方面的详细论述则见诸本专题之隽文秀语。多铁性研究经历分而春秋的黄金十年,正出现久分必合的迹象,令人不忍释手。     

自支撑多铁性薄膜材料研究的机遇与挑战

多铁性材料兼具铁电、铁磁等两种或两种以上铁性有序,并且通过不同铁性之间的多物理场耦合实现新奇磁电效应,在信息存储、换能、传感等方面具有广阔的应用前景。当前,在基础及应用研究方面仍存在许多亟待解决的科学技术问题,譬如寻找及制备室温以上具有强磁电耦合效应的多铁性材料,以及解决与半导体的器件集成问题等,而近年来迅速发展的自支撑薄膜制备技术为此提供了新的机遇。与块体材料及束缚在刚性衬底上的外延薄膜相比,自支撑薄膜具有极为优异的晶格调控自由度,可获得前所未有的极端一维、二维应变(应变梯度),并能够实现人工异质结的构建与器件集成等,为多铁性材料的研究提供了新的材料体系和契机。文章围绕自支撑钙钛矿氧化物(多)铁性材料及人工异质结,总结了最近的重要研究进展,并尝试初步探讨该方向未来可能面临的机遇与挑战。     

四方相多铁BiMnO_3电控磁性的理论研究

钙钛矿结构BiMnO_3作为同时具有铁电性与铁磁性的多铁材料,在人工神经网络方面可以作为一种潜在的人工突触材料,从而设计出新型多铁人工突触器件.本文使用第一性原理计算的方法,分别研究了四方相BiMnO_3在xy面内施加0.18%与4%应力条件下的铁电情况,以及Mn原子磁矩随着铁电极化强度变化的曲线.结果表明,在四方相多铁BiMnO_3中,Mn原子磁矩会随着极化强度的增强而增大,表示其铁磁性可以在一定程度上由其铁电极化来进行调控,并且应力越大,其磁矩变化范围就越大.这一结果使得多铁BiMnO_3在人工突触器件设计方面拥有潜在的应用价值,多铁性使其在作为人工突触器件材料中具有更多可调控的自由度,从而可用于模拟多突触连接.这可为将来构造类脑芯片打下一定的理论基础.     

铁电-铁磁多铁性脉冲形成线特性

对"多铁性"脉冲形成线输出特性进行了研究。利用镍锌铁氧体-钛酸钡陶瓷复合多铁性材料制作了脉冲形成线。在不同的磁回路条件下得到了不同脉冲宽度的电脉冲方波,其中以高磁导率材料组合成的闭合磁回路得到了脉冲宽度约201 ns的方波输出。推算出脉冲形成线的相对介电常数接近2 000,相对磁导率大于1.4。基于有效磁导率的概念,分析了多铁性脉冲形成线几何构型对脉冲输出特性的影响。分析表明:平板状"多铁性脉冲形成线"的有效磁导率不仅取决于平板介质的磁导率,还取决于周围介质的磁导率,因而有效磁导率通常较小,其输出表现出明显的铁电性而只有"弱"的铁磁性;相比之下,同轴结构的"多铁性脉冲形成线"具有更高的有效磁导率,其输出可同时表现出强的铁电性和铁磁性,即更明显的"多铁性"。"多铁性脉冲形成线"有可能在紧凑型脉冲功率系统中获得应用。     

复杂材料高压性质的计算与模拟：基于第一性原理方法的部分进展

对基于第一性原理量子力学计算与模拟在复杂材料体系高压性质研究中的应用进行了简要回顾与综述,重点介绍了在合金、含缺陷材料以及电子强关联材料等复杂体系研究中的部分应用,并讨论了将量子力学原理与基于集团展开法、格子气模型、准模拟退火等物理模型相结合而发展出的一系列计算方法的优势与不足。本文所涵盖的内容仅仅是第一性原理计算方法从简单体系向复杂体系发展中的一小部分,但都具有一定的代表性,希望对发展更先进高效的具有预测能力的多尺度方法提供有益的参考。     

多铁性钙钛矿薄膜的氧空位调控研究进展

精确调控ABO_3钙钛矿结构中氧空位的位置与浓度已被证明可调控多铁性薄膜的不同物理性质,包括输运特性、光学特性和多铁性质等.本文回顾了多种典型的多铁性材料,从氧空位形成机理、氧八面体结构、应变-氧空位关系和具体物性调控效应(多铁、超导和电化学性能)等角度介绍了该体系中氧空位调控效应.同时依托氧空位调控的最新研究进展,尤其是对氧空位调控单相材料多铁性质方面工作的分析,为探索新型磁电功能性材料与器件提供了重要参考.     

钙钛矿NaFeF_3结构物性的理论研究及应力和掺杂调控

利用第一性原理计算研究了氟化物钙钛矿NaFeF_3的基态电子态和磁构型,并模拟分析了衬底应力和阴离子置换对材料基本物性的影响.计算结果表明, NaFeF_3块材的G-AFM磁基态十分稳定,不会受到衬底应力调控以及F位氧掺杂的影响.当低浓度掺杂(～8.3%)时,氧离子倾向于替换FeF2面内的F,形成非对称的Fe-O-Fe链,导致产生局域极化.此外,不对等的Fe—O键还会在氧离子两侧的Fe上形成电荷序,进而产生非零净磁矩.值得注意的是,该局域极化和亚铁磁性均源于不等位氧掺杂,因此有可能通过外电场调控实现极化翻转并同时改变净磁矩的方向实现电控磁.更高浓度的氧掺杂会使得Fe的化合价整体升高, Fe离子上的局部电荷序和净磁矩随之消失.该研究结果有望促进氟化物的理论和实验研究,并为多铁性材料的设计研发提供新的材料.     

稀土Ce^(3+)/Eu^(2+)离子和点缺陷发光性质的第一性原理研究EI北大核心CSCD

近年来,国内外研究者们开展了一系列关于无机荧光粉中稀土离子和点缺陷发光性质的第一性原理研究。本文简要介绍作者与合作者们在该研究领域开展的工作与取得的结果。首先,简要介绍稀土发光材料第一性原理研究常用方法,主要包括:基于密度泛函理论和超单胞模型的点缺陷计算以及基于波函数多组态相互作用的激发态计算。然后,从点缺陷的热力学稳定性与发光机理研究以及稀土离子4f→5d跃迁模拟与激发光谱指认两个方面,详细阐述了第一性原理计算在Ce^(3+)和Eu^(2+)离子掺杂荧光粉中的具体应用。最后,对稀土发光材料的第一性原理计算研究领域的机遇和挑战进行了简要总结。     

多铁性磁电器件研究进展

多铁性材料可以实现力、电、磁等多物理场之间的相互耦合,在小尺寸、快速响应和低功耗的磁电器件领域具有重要的应用前景.在应用需求的推动下,以具有磁电耦合效应的多铁性材料为基础的磁电器件在设计、微纳加工和性能优化等方面的研究取得了持续的进展.本文简要介绍了基于磁电耦合效应的几种原型器件的最新进展,包括可调谐电感、滤波器、磁电存储器、能量回收器、磁电传感器和磁电天线等,分析总结了各种磁电器件的工作原理及其性能表现,讨论了当前多铁性磁电器件研究所面临的问题和挑战,并提出了改进磁电器件性能的研究方向.     

磁致多铁性物理与新材料设计

磁致多铁材料是多铁性材料大家族中的后起之秀,其特色在于其铁电性起源于特定的磁序,因此其铁电性与磁性紧密关联,具有本征的强磁电耦合效应。目前对磁致多铁性的研究以基础物理为主。随着对磁致多铁现象背后物理机制认识的不断深入,不断有新的磁致多铁材料被设计、预言和发现,其性能也在不断地提高。文章简要介绍了磁致多铁材料所涉及的基本物理机制,并根据这些已知的规律,回顾了近年来寻找和设计新的磁致多铁材料的经验。     

磁电多铁性材料的宠儿:铁酸铋(BiFeO_3)研究进展的十年回顾

近十几年来,由于对新一代高性能(低能耗、高存储密度、高读写速度)电子功能器件的需求,多铁性材料特别吸引人们的关注。在这些多铁性化合物中,铁酸铋(BiFeO3,简写为BFO)具有高的铁电居里温度和高的反铁磁转变温度,是目前最有应用前景的多铁性材料之一。文章介绍了BFO的晶体结构、铁电极化结构以及反铁磁自旋结构,探讨了在它的基态和高应变状态下,极化与自旋是如何强耦合在一起的。在此基础上,进一步探讨了利用铁电/反铁磁BFO基体系来实现强磁电耦合效应(特别是在低维系统如异质结界面、畴壁或相界中)。文章还对BFO基纳米复合自组装结构中的磁电耦合做了简单介绍。通过对BFO这一多铁性模型体系的研究,可以帮助人们更好地认识铁性材料中衍生出的新奇量子现象,从而利用高等外延生长技术开发和设计新型人造超结构来实现材料的电性、磁性和弹性之间的耦合。     

H2O对N复合氧化膜Cr2O3作用机制的理论研究

本文基于第一性原理方法,研究水对N复合氧化膜Cr2O3的作用机制。结果表明N的复合影响H2O在表面的吸附位点及吸附高度,N的溶入与Cr形成稳定作用,减缓H2O对表面Cr-O间的破坏作用,改善氧化膜表层结构,提高表面电化学稳定性。因此,N的复合可增强氧化膜对H2O的作用,同时改善氧化膜的结构稳定性,从而提高不锈钢的抗氧化性。     

SiO2-羟基表面上金属原子的第一性原理研究

采用第一性原理方法研究了SiO₂-羟基表面上几种金属原子的吸附性质，发现In和Ga在SiO₂-羟基表面上的结合很弱，而Fe，Co， Ni在该表面上与Si，O形成强的化学键.等势能面和扩散势垒计算表明In (Ga)的扩散激活能只有0.1—0.3 eV，表明这两种原子容易在表面上扩散.这些结果可以定性地解释纳米合成中的一些实验现象. 关键词： 第一性原理 表面扩散 结合能 金属原子     

第一性原理计算Ga,O掺杂Ge材料的电子结构

利用第一性原理模拟计算了Ga掺杂Ge及Ga、O共掺杂Ge材料的电子结构,对态密度、能带结构进行了分析。结果表明,Ga掺杂Ge材料会使掺杂体系表现为较强的金属性;Ga、O共掺杂会使掺杂体系在低能端出现新的禁带区域。通过掺杂能够改变Ge材料的电学和光学特性。