对多铁性材料自旋声子耦合性质的第一性原理研究

摘要

复杂的过渡金属氧化物有多样的晶体结构和丰富的物理现象，高介电常数，压电，铁电只是这类材料其中的几个重要的功能。除此之外它们更多的奇特的性质也有很大应用潜力，例如高温超导，巨磁阻等性质还需要进一步研究和探索。通过近些年发展的先进的沉积技术，生长出的氧化物异质结的结构质量可以与传统的半导体材料相媲美。与此同时当组成异质结的化合物有不同的结构不稳定性和电子结构性质时，在它们的边界处会出现新的丰富的物理现象，这些异质结还可以用来制作人工多铁材料，这使氧化物电子器件上升到一个新的层次。多铁性材料是指铁电性和磁性同时共存的化合物，多铁性材料除了同时具有铁电性和磁性，更为重要的是，铁电性与磁性之间存在磁电耦合效应，从而可能实现铁电性和磁性之间的相互调控。因此多铁性材料可以作为一种新型的多功能材料。
　　本论文一共包含如下几个部分:第一章介绍多铁材料的性质和应用前景，还有它在近些年一些研究进展和突破。第二章介绍一些本论文中用到的计算方法，包括密度泛函理论，Berry Phase理论，最大局域化Wannier函数和用无规相近似的方法来计算固体中的电子屏蔽的库仑相互作用。第三章介绍外延应变和人工界面对固体性质影响和改造，同时还介绍了薄膜和超晶格异质结在多铁领域的一些应用。第四章包括两部分:第一部分介绍了通过(CaMnO3)m/(BaTiO3)n超晶格的界面效应改变了CaMnO3体材料中反铁畸变模(AFD)和铁电模(FE)的结构不稳定性，实现了巨大自旋声子耦合效应，这为在多铁领域中实现强的磁电耦合效应提供了一个新的方案;第二部分介绍了通过(CaTcO3)1/(BaTcO3)1超晶格的界面效应诱导出自发的电极化强度，再加上CaTcO3和BaTcO3体材料本身很高的反铁磁转变的奈尔温度，这使(CaTcO3)1/(BaTcO3)1超晶格可以有潜力成为室温多铁材料。另外在(CaTcO3)1/(BaTcO3)1超晶格中自发电极化的起源来自于常规铁电(proper)和非常规铁电(improper)两部分贡献，这在多铁领域里是一个比较新颖的物理现象。第五章主要介绍了自旋声子耦合的物理机制。首先简单的介绍在此之前其他人从宏观或者唯相的角度上对自旋声子耦合的物理机制的一些研究。本论文中我们用最大局域化Wannier函数结合Kugel-Khomskii模型从微观的电子结构层面上给自旋声子耦合的物理机制一个清晰直观的解释。第六章主要介绍对高温多铁材料六角相LuFeO3一些研究，通过Kugel-Khomskii模型解释了LuFeO3中高温磁有序的起源，同时找到了使它可以在低温下可以发生从反铁磁到弱铁磁转变的自旋重定向的物理机制，这为使LuFeO3能成为室温的铁磁铁电材料奠定了坚实的物理基础。在附录中我们介绍了在第六章省略的重要计算细节包括基于密度泛函理论的模型哈密顿量的介绍，用Kugel-Khomskii模型推导LuFeO3的磁交换常数，通过声子模来分解结构的畸变等。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 多铁材料的背景及应用

1．2 多铁材料的对称性限制

1．3 铁电和铁磁之间的互斥现象

1．4 铁电发生的物理机制

1．5 多铁材料的磁电耦合性质

1．6 磁电同源材料的研究

第二章 理论计算方法

2．1 密度泛函理论简介

2．2 计算电极化的Berry Phase理论

2．3 最大局域化Wannier函数理论

2．4 无规相近似(cRPA)方法简介

第三章 复杂氧化物的人工界面效应

3．1 复杂氧化物的物理效应及其应用

3．2 异质结界面的各种物理性质之间的相互作用

3．3 薄膜和超晶格的理论研究方法

3．4 薄膜的外延应变和超晶格界面效应对结构不稳定性影响的第一性原理研究

第四章 多铁超晶格的第一性原理研究

4．1 单相材料自旋声子耦合效应的研究

4．2 利用多铁超晶格的界面效应增强自旋声子耦合效应

4．3 非常规铁电物理机制

4．4 ATcO3(A=Ca，Sr，Ba)的结构不稳定性和利用人工界面效应实现CaTcO3多铁效应

4．5 本章总结

第五章 自旋声子耦合的微观机制

5．1 自旋声子耦合材料的研究

5．2 通过Wannier函数对自旋声子耦合微观机制的研究

5．3 本章总结

第六章 六角相LuFeO3磁结构的的电子起源和结构起源

6．1 室温多铁材料六角相LuFeO3介绍

6．2 六角相LuFeO3高温磁有序的物理机制

6．3 六角相LuFeO3低温弱铁磁相变的物理机制

6．4 六角相LuFeO3低温弱铁磁相变起源的实验论证

6．5 本章总结

第七章 结论与展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果