NaLaFeMO6(M=Re,Os)多铁性质的理论研究
目 录
1 引言 1
1.1 多铁性材料的介绍 1
1.2 多铁材料的磁电控制机理 1
1.3 多铁性材料的研究现状 2
1.4 多铁性材料研究存在的问题 6
1.5 本论文研究的内容 6
2 理论方法和计算步骤 7
2.1 对第一性原理的介绍 7
2.2 密度泛函理论（DFT） 7
2.3 材料相关物理性质的计算方法 11
2.4 本论文计算所需要的软件包 11
3 NaLaFeMO6物理性质的实验方法 12
3.1 对相似结构Ca2FeReO6和Ca2FeOsO6的物理性质的研究 12
3.2 对NaLaFeReO6和NaLaFeOsO6物理性质的研究 14
3.3 结论 17
4 对多铁性材料未来的展望 18
致谢 19
参考文献 20
1 引言
1.1 多铁性材料的介绍
什么是多铁性材料？多铁性材料是指一种在低温环境同时包括铁电性，铁磁性和铁弹性质等两种或者两者以上序参量的新型多功能材料[1]。多铁性材料优点就是在于可以实现外部条件下铁电性与铁磁性的交叉控制，进而产生一些新的功能[1]。这一特性使得多铁性材料越发受到广大物理学界人士的关注。无论在信息存储领域还是在快速读取电子器件领域以及低能耗电子元件器件领域都存在着广阔的研究价值以及应用前景[2 3]。
1.2 多铁材料的磁电控制机理
1.2.1 铁电性，铁磁性和磁电耦合
发极化P由电场E调控，即为P-E特性。同理，铁磁材料因电子自旋有序产生 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
铁磁性，磁化M调控磁场H，即为在多铁性材料中，电荷因为有序运动产生铁电性，其自M-H特性。但是在铁性材料中不仅具备P-E特性和M-H特性，同时还存在着电场E调控磁化M，磁场H调控极化P。也就是磁电交叉控制效应[2 4]。(图1)
图1：多铁性材料磁电效应示意图
图1的左边部分即代表多铁的P-E特性，右边部分代表多铁的M-H特性，中间部分代表的是磁-电交叉控制区域。，铁电材料自发极化的特性广泛地应用于声波换能器和传感器等电子设备上，其非挥发性和读取速度快的特性使得随机读取存储器具备更加卓越的性能；而铁磁材料则非常广泛地应用于信息存储领域，比如巨磁电阻效应广泛应用在磁存储器件上，并因此而创造了庞大的经济效益。
1.3 多铁性材料的研究现状
1.3.1 多铁性材料研究的成果
对于传统的单相多铁性材料的物理性质方面的研究已经达到了一个非常深入的地步。尤其随着科技的进步，物理学界在量子信息计算，低功耗存储于读写和自旋电子学等多个领域的长足发展使得人们对具备新功能的多铁性材料的渴求日益激增。对多铁性材料来说，制备新功能的材料由两个途径：一是将现有材料依靠界面工程组合起来，制备出超晶格结构或者是异质结结构。二是研制出全新的新材料。
2003年Kimura及其研究小组成员在对TbMnO3进行了研究时，偶然发现具备螺旋结构的磁序[5]竟然可以诱导铁电计划。如图2所示，查阅资料在室温条件下TbMnO3晶体空间群为Pbnm,其结构类似于LaMnO3。但是La3+的离子半径大于Tb3+。这种偏差使得TbMnO3进相比理论的构造略畸形偏大。也导致ab面内磁结构出现了阻措。如图2所示，电场可以改变TbMnO3晶体的螺旋结构。随着研究的深入，b轴的磁场强度逐渐增大知识体系的电极化方向渐渐地自c轴转向a轴。这一现象表明多铁材料体系存在着的强磁电耦合能够实现磁场调控的电极化[6]。这也从侧面证明了铁电性和铁磁性的共存。
图2：TbMnO3进微观结构及其铁电性 （a）室温（左上图）和低温（左下图）晶体微观结构（b）-（e）磁化率，波矢强度，介电常数和电极化与温度的函数关系图
继TbMnO3晶体被发现其特性之后，如图3（a）所示，2004年Hur等人就发现了TbMn2O5磁场调控电极化现象如图4所示。如图3（b）所示，Yamasaki所在的研究小组也发现到了CoCr2O4在外加磁场作用下的电极化翻转现象。尤其值得一提的是Kimura等人发现了石Ba0.5Sr1.5Zn2Fe12O22晶体[7]在室温下的磁场调控电极化现象。2010年Kitagawa等人对Sr3Co2Fe24O41材料的性质研究室发现了在室温条件下低磁场调控电极化。如图3（c）和（d）两图所示，上述两种晶体结构组成相似，都是Y型六角结构[8]，并且其电极化程度与晶体的螺旋磁结构相关。
图3：（a）TbMn2O5晶体电极化与磁场关系图 （b）CoCr2O4的磁矩和电极化与磁场的关系图；(c)和(d)在外加磁场作用下Sr3Co2Fe24O41晶体极化电流随时间作周期性变化。
图4：（a）TbMn2O5中电极化与磁场的关系变化图；（b）Mn3+和Mn4+极化诱导伸缩机制
Chu和Roundinelli等科学家在探究晶格结构与多铁材料铁电性之间的关系，而对晶格结构提出了各种新奇的构思。比如在A位引入半径不同的离原子从而对O原子的八面体旋转加以控制。或者是使用磁性离子取代B位的离子[9]。这两种手段都是在晶格结构之中实现铁电性与铁磁性之间的交叉控制。以NaMnO3，LaMnO3 和SrMnO3为例，将这三种超晶体组合成三元的超晶格结构[10]。在对该体系施加一个6T的外磁场，体系的电极化上升了50%，并且此变化与体系的各个晶体结构关系很大。如图3所示
图5：NaMnO3，LaMnO3 和SrMnO3的微观结构示意图和磁电性质。（a）超晶格体系的结构；（b）磁结构；（c）电极化随着温度和外加磁场的函数关系图;（d）各类超晶体磁电性质与温度的关系
2006年，Ramesh研究小组在BiFeO3薄膜中发现电场对于反铁磁畴的调控特性，这是多铁性材料研究领域的重大突破[11]。如图2所示，研究小组发现BiFeO3薄膜电极化方向与反铁磁平面始终垂直。因此可以通过外加电场来旋转反铁磁平面。Chu等人后来又发现合适的项外延生长的BiFeO3薄膜[12]，能够得到极大的饱和铁电极化。并且结果与理论计算相一致。
图6：BiFeO3晶体结构以及电极化和反铁磁平面耦合示意图
1.4 多铁性材料研究存在的问题
迄今为止，关于多铁性材料的研究已经取得了不菲的战果。不仅是发现了铁电性和铁磁性两种特性可以并存，而且发现了磁致铁电材料的磁场调控的电极化等成果。值得一提的是近几年来在多铁性效率研究中磁电耦合机制反面的重大突破。但是一些研究难题始终没有被攻克，广大物理领域的人需要加以研究的问题：
Ca2FeReO6*5.4015.5257.68490.07
Ca2FeOsO65.3765.5367.66990.02
Ca2FeOsO6*5.3935.5087.67990.02
图10：NaLaFeReO6和NaLaFeOsO6的态密度示意图。Fe，Re和Os的 分为4.0，2.0和1.5 eV的态密度图。费米能级为0 eV。
1 引言 1
1.1 多铁性材料的介绍 1
1.2 多铁材料的磁电控制机理 1
1.3 多铁性材料的研究现状 2
1.4 多铁性材料研究存在的问题 6
1.5 本论文研究的内容 6
2 理论方法和计算步骤 7
2.1 对第一性原理的介绍 7
2.2 密度泛函理论（DFT） 7
2.3 材料相关物理性质的计算方法 11
2.4 本论文计算所需要的软件包 11
3 NaLaFeMO6物理性质的实验方法 12
3.1 对相似结构Ca2FeReO6和Ca2FeOsO6的物理性质的研究 12
3.2 对NaLaFeReO6和NaLaFeOsO6物理性质的研究 14
3.3 结论 17
4 对多铁性材料未来的展望 18
致谢 19
参考文献 20
1 引言
1.1 多铁性材料的介绍
什么是多铁性材料？多铁性材料是指一种在低温环境同时包括铁电性，铁磁性和铁弹性质等两种或者两者以上序参量的新型多功能材料[1]。多铁性材料优点就是在于可以实现外部条件下铁电性与铁磁性的交叉控制，进而产生一些新的功能[1]。这一特性使得多铁性材料越发受到广大物理学界人士的关注。无论在信息存储领域还是在快速读取电子器件领域以及低能耗电子元件器件领域都存在着广阔的研究价值以及应用前景[2 3]。
1.2 多铁材料的磁电控制机理
1.2.1 铁电性，铁磁性和磁电耦合
发极化P由电场E调控，即为P-E特性。同理，铁磁材料因电子自旋有序产生 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
铁磁性，磁化M调控磁场H，即为在多铁性材料中，电荷因为有序运动产生铁电性，其自M-H特性。但是在铁性材料中不仅具备P-E特性和M-H特性，同时还存在着电场E调控磁化M，磁场H调控极化P。也就是磁电交叉控制效应[2 4]。(图1)
图1：多铁性材料磁电效应示意图
图1的左边部分即代表多铁的P-E特性，右边部分代表多铁的M-H特性，中间部分代表的是磁-电交叉控制区域。，铁电材料自发极化的特性广泛地应用于声波换能器和传感器等电子设备上，其非挥发性和读取速度快的特性使得随机读取存储器具备更加卓越的性能；而铁磁材料则非常广泛地应用于信息存储领域，比如巨磁电阻效应广泛应用在磁存储器件上，并因此而创造了庞大的经济效益。
1.3 多铁性材料的研究现状
1.3.1 多铁性材料研究的成果
对于传统的单相多铁性材料的物理性质方面的研究已经达到了一个非常深入的地步。尤其随着科技的进步，物理学界在量子信息计算，低功耗存储于读写和自旋电子学等多个领域的长足发展使得人们对具备新功能的多铁性材料的渴求日益激增。对多铁性材料来说，制备新功能的材料由两个途径：一是将现有材料依靠界面工程组合起来，制备出超晶格结构或者是异质结结构。二是研制出全新的新材料。
2003年Kimura及其研究小组成员在对TbMnO3进行了研究时，偶然发现具备螺旋结构的磁序[5]竟然可以诱导铁电计划。如图2所示，查阅资料在室温条件下TbMnO3晶体空间群为Pbnm,其结构类似于LaMnO3。但是La3+的离子半径大于Tb3+。这种偏差使得TbMnO3进相比理论的构造略畸形偏大。也导致ab面内磁结构出现了阻措。如图2所示，电场可以改变TbMnO3晶体的螺旋结构。随着研究的深入，b轴的磁场强度逐渐增大知识体系的电极化方向渐渐地自c轴转向a轴。这一现象表明多铁材料体系存在着的强磁电耦合能够实现磁场调控的电极化[6]。这也从侧面证明了铁电性和铁磁性的共存。
图2：TbMnO3进微观结构及其铁电性 （a）室温（左上图）和低温（左下图）晶体微观结构（b）-（e）磁化率，波矢强度，介电常数和电极化与温度的函数关系图
继TbMnO3晶体被发现其特性之后，如图3（a）所示，2004年Hur等人就发现了TbMn2O5磁场调控电极化现象如图4所示。如图3（b）所示，Yamasaki所在的研究小组也发现到了CoCr2O4在外加磁场作用下的电极化翻转现象。尤其值得一提的是Kimura等人发现了石Ba0.5Sr1.5Zn2Fe12O22晶体[7]在室温下的磁场调控电极化现象。2010年Kitagawa等人对Sr3Co2Fe24O41材料的性质研究室发现了在室温条件下低磁场调控电极化。如图3（c）和（d）两图所示，上述两种晶体结构组成相似，都是Y型六角结构[8]，并且其电极化程度与晶体的螺旋磁结构相关。
图3：（a）TbMn2O5晶体电极化与磁场关系图 （b）CoCr2O4的磁矩和电极化与磁场的关系图；(c)和(d)在外加磁场作用下Sr3Co2Fe24O41晶体极化电流随时间作周期性变化。
图4：（a）TbMn2O5中电极化与磁场的关系变化图；（b）Mn3+和Mn4+极化诱导伸缩机制
Chu和Roundinelli等科学家在探究晶格结构与多铁材料铁电性之间的关系，而对晶格结构提出了各种新奇的构思。比如在A位引入半径不同的离原子从而对O原子的八面体旋转加以控制。或者是使用磁性离子取代B位的离子[9]。这两种手段都是在晶格结构之中实现铁电性与铁磁性之间的交叉控制。以NaMnO3，LaMnO3 和SrMnO3为例，将这三种超晶体组合成三元的超晶格结构[10]。在对该体系施加一个6T的外磁场，体系的电极化上升了50%，并且此变化与体系的各个晶体结构关系很大。如图3所示
图5：NaMnO3，LaMnO3 和SrMnO3的微观结构示意图和磁电性质。（a）超晶格体系的结构；（b）磁结构；（c）电极化随着温度和外加磁场的函数关系图;（d）各类超晶体磁电性质与温度的关系
2006年，Ramesh研究小组在BiFeO3薄膜中发现电场对于反铁磁畴的调控特性，这是多铁性材料研究领域的重大突破[11]。如图2所示，研究小组发现BiFeO3薄膜电极化方向与反铁磁平面始终垂直。因此可以通过外加电场来旋转反铁磁平面。Chu等人后来又发现合适的项外延生长的BiFeO3薄膜[12]，能够得到极大的饱和铁电极化。并且结果与理论计算相一致。
图6：BiFeO3晶体结构以及电极化和反铁磁平面耦合示意图
1.4 多铁性材料研究存在的问题
迄今为止，关于多铁性材料的研究已经取得了不菲的战果。不仅是发现了铁电性和铁磁性两种特性可以并存，而且发现了磁致铁电材料的磁场调控的电极化等成果。值得一提的是近几年来在多铁性效率研究中磁电耦合机制反面的重大突破。但是一些研究难题始终没有被攻克，广大物理领域的人需要加以研究的问题：
Ca2FeReO6*5.4015.5257.68490.07
Ca2FeOsO65.3765.5367.66990.02
Ca2FeOsO6*5.3935.5087.67990.02
图10：NaLaFeReO6和NaLaFeOsO6的态密度示意图。Fe，Re和Os的 分为4.0，2.0和1.5 eV的态密度图。费米能级为0 eV。
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