稀土鈣鈦礦氧化物結(jié)構(gòu)、磁性與多鐵性的第一性原理計算.pdf

1、近年來，磁性和鐵電性共存的多鐵性材料由于其在自旋電子學(xué)領(lǐng)域誘人的應(yīng)用前景而得到廣泛關(guān)注，新型多鐵性材料的設(shè)計和探索成為熱門研究課題。功能鈣鈦礦氧化物體系作為多鐵性材料的潛在候選者而處于相關(guān)研究領(lǐng)域的核心地位。此外，鈣鈦礦氧化物多自由度（晶格、電荷、自旋和軌道）之間的耦合也吸引著科學(xué)家的注意。本文圍繞鈣鈦礦稀土鐵氧體RFeO3以及雙鈣鈦礦R2NiMnO6和R2CoMnO6體系（R為稀土元素），通過第一性原理計算研究了其晶體結(jié)構(gòu)和物理性能。

2、本工作引入了三種用于改性鈣鈦礦體系的“力”，分別為化學(xué)壓（稀土離子半徑效應(yīng)）、靜水壓以及外延應(yīng)變。由于這三種“力”皆可影響鈣鈦礦體系的體積和物理性質(zhì)，我們將其稱為“改性力”。我們試圖通過施加這三種“改性力”，在這三類鈣鈦礦體系中誘導(dǎo)或調(diào)控其磁性、鐵電性、多鐵性和其他電學(xué)性能。通過第一性原理計算，獲得如下主要結(jié)論:
　　稀土鈣鈦礦體系晶體結(jié)構(gòu)和物理性能的化學(xué)壓和靜水壓效應(yīng)并不是等價的。一方面，化學(xué)壓對稀土鈣鈦礦體系(例如RFeO3和

3、R2NiMnO6)的氧八面體扭轉(zhuǎn)影響較靜水壓更為明顯，而其對體系鍵長（例如Fe-O，Ni-O和Mn-O鍵長）的影響則弱于靜水壓。另一方面，靜水壓對稀土鈣鈦礦體系晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響往往是線性的，而化學(xué)壓則不然，例如晶格常數(shù)b和鍵長隨化學(xué)壓的變化趨勢并不是單調(diào)的。此外，化學(xué)壓和靜水壓對稀土鈣鈦礦體系磁性的影響即可能是相似的(RFeO3的弱鐵磁磁矩)，也可能是相反的(R2NiMnO6的鐵磁居里點)。
　　發(fā)展了鈣鈦礦(A'BO3)1/(

4、A"BO3)1超品格雜化非本征鐵電性的原子理論，導(dǎo)出了聯(lián)系于BO6八面體扭轉(zhuǎn)（∞R和ωM分別為八面體反相和同相扭轉(zhuǎn)）和A位離子反鐵電位移的兩個能量項△E1和△E2。其中，三階耦合關(guān)系ωRωMP是(001)晶面取向(A'BO3)1/(A"BO3)1超晶格體系鐵電性的起源。同時，我們指出沿著(001)晶面取向生長的(A'BO3)m/(A"BO3)n超晶格(A'BO3和A"BO3皆為Pbnm對稱性，a-a-c+型扭轉(zhuǎn))的鐵電性具有規(guī)律性—當(dāng)且

5、僅當(dāng)m和n都為奇數(shù)時，超晶格的空間群為極性的Pmc21。
　　提出一種構(gòu)筑室溫多鐵性材料的嶄新思路，即將本身不具鐵電性的兩種雙鈣鈦礦鐵磁體形成超晶格、利用兩者不相等的陽離子反向平行位移誘導(dǎo)非本征鐵電性(improper ferroelectricity)，通過第一性原理計算與蒙特卡羅模擬，從理論上預(yù)言了近室溫多鐵性新材料-R2NiMnO6/La2NiMnO6超晶格。這種多鐵性新材料于室溫附近具有鐵磁鐵電共存、且性能可調(diào)的特點，可望

6、為室溫多鐵性材料的研究帶來新的契機。
　　通過外延應(yīng)變方法在順電的稀土鐵氧體中誘導(dǎo)出鐵電性，進而使體系具有多鐵性，其極化強度和反鐵磁奈爾溫度可被化學(xué)壓和外延應(yīng)變調(diào)控。第一性原理計算表明:一方面，在稀土鐵氧體CeFeO3，PrFeO3，NdFeO3和SmFeO3中施加足夠大的壓應(yīng)變會使體系相變?yōu)樗姆絇4mm相;另一方面，稀土鐵氧體RFeO3(R=Ce～Er)在足夠大的拉應(yīng)變下相變?yōu)镻21am(Ⅰ)相，并可能在臨界拉應(yīng)變出呈現(xiàn)一個多相