铁电体batio3调控srmno3薄膜的序与运输性质
随着科技的进步和社会的发展，人们所使用的器件越来越走向小型化、多功能化。由于量子力学快速发展，多铁性材料渐渐地走进了人们的视野中。其中以磁电耦合材料的研究最为热门，这类材料在现代科技中的广泛应用前景致使磁电耦合效应更加具备理论和实验的研究价值。基于铁电和铁磁之间的相互耦合我们可以实现用电场控制材料的磁性，因此，在数据快速读取、信息存储和低功耗器件中有着重要的应用前景。本文中，我们应用第一原理方法从理论上研究了SrMnO3/BaTiO3薄膜的电子结构和磁性质。我们发现BaTiO3铁电极化反转的变化会导致SrMnO3层从铁磁序到反铁磁序的转变，并且体系出现金属-绝缘体相变。关键词 铁电、磁电耦合、铁磁、反铁磁、第一性原理 目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 第一性原理 3
1.3 密度泛函理论 4
1.4 VASP软件简介 9
第2章 关于SrMnO3/BaTiO3的第一性原理研究 10
2.1 计算方法与细节 10
2.2 计算结果与讨论 11
2.3 小结 15
第3章 展望 16
致 谢 17
参 考 文 献 18
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 铁电体
在一定的温度范围内，某些晶体具有自发电极化的性质，而且其自发电极化强度可以通过施加外场加以改变，电极化强度与电场为非线性关系，存在电滞回线，如图1。通常我们把这种特殊性质称为铁电性，而把这种具有铁电性的晶体称为铁电体。简单地说，铁电体就是正负离子电荷中心不重合的绝缘体。按照晶体的元素构成及微观结构的特征区分铁电晶体，可以分成两类：一类晶体含有氢键，典型的如罗息盐。另外一种晶体是双氧化物，如PbTiO3、BaTiO3等晶体。铁电体有着十分良好的科研价值和应用潜力，如铁电信息存储器和铁电发电机等仪器。
本工作中所涉及到的BaTiO3是非常典型的一种铁电体，钙钛矿结构BaTiO3在大于120摄氏度时为立方结构，正负电荷中心重合，无自发极化；而当温度在0摄氏度到120摄氏度温区为四方结构，正负电荷中心不重合，
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
成两类：一类晶体含有氢键，典型的如罗息盐。另外一种晶体是双氧化物，如PbTiO3、BaTiO3等晶体。铁电体有着十分良好的科研价值和应用潜力，如铁电信息存储器和铁电发电机等仪器。
本工作中所涉及到的BaTiO3是非常典型的一种铁电体，钙钛矿结构BaTiO3在大于120摄氏度时为立方结构，正负电荷中心重合，无自发极化；而当温度在0摄氏度到120摄氏度温区为四方结构，正负电荷中心不重合，存在自发极化，自发极化方向沿着四重轴；在小于0摄氏度而大于零下80摄氏度时，体系为正交晶系，自发极化方向沿二重轴；小于零下80摄氏度温区体系为三角晶系，自发极化方向沿三重轴（图2）。BaTiO3在室温区就存在铁电性及其规则的自发极化方向（001）的特性，决定了其非常有利于实际应用。
图1：电滞回线 图2：BaTiO3四种晶型原胞
1.1.2 多铁性及电控磁性
多铁性材料就是同时具有铁电和铁磁性质，并且由于多种序参量之间的相互耦合作用而产生新效应性质的物质材料。而且更为关键的是，铁电和铁磁之间的相互耦合可以实现铁电和铁磁之间的相互调控。即，通过电场变化可以改变材料的磁化方向，而通过磁场变化可以使材料的电极化方向发生改变[1]。其在新型磁电器件、自旋电子器件、高性能信息存储与处理等方面有着很大的研究意义和应用前景。同时，多铁性耦合物理在电荷、自旋、轨道、晶格等凝聚态物理的多个范畴都有涉及研究和应用，其研究的内容已成为国际上一个新的前沿研究领域[2]。然而，这类物质材料的研究依然面临着很多的局限性，如：（1）体系的铁电性较强，而铁磁弱；（2）体系的铁磁性强，而铁电性弱；（3）体系的铁电和铁磁性都比较大，但是它们之间的耦合却比较弱。这会导致给相应材料加外场时，体系的电磁性却不随着外场的变化而发生响应。而在现实的研究中，物理学家们一直在寻找更为合适的多铁性材料。
近些年来，科学家们为了克服上述困难另辟蹊径，纷纷把目光投向了电控磁性的研究。电控磁性即对材料体系施加电场，体系的磁序会随之响应，甚至会对体系的输运性质也有影响。电控磁性的研究在国际上已经逐渐地成为了一个相当热门的研究方向,当然这也是因为这类有相当大的研究意义和应用前景。
2006年, Fechner等人应用第一原理方法模拟了PbTiO3铁电层与Fe/Au/Fe三层膜组成的混合体系的性质，他们通过计算发现铁磁层与铁电层存在强耦合。而且，他们还发现由于铁电层与铁磁层间的交换耦合作用，铁电极化方向一旦改变会引起铁磁层间磁序的180度翻转。这种磁电耦合机制可望应用到磁数据存储领域[3]。
图3 铁电铁磁混合结构示意图
此外，Burton等人研究了铁磁-铁电异质结（La1?xAxMnO3/BaTiO3）（图4），去探索此类材料结构的磁电效应；他们通过第一原理计算发现，适当的A型原子的参杂量即x值，能够导致体系界面处的磁序对BaTiO3层的电极化变化产生显著地响应：体系随着电极化的变化，会导致界面处会出现铁磁序到反铁磁序的变化[4]。
图4（La1?xAxMnO3）5.5/（BaTiO3）4.5异质结的结构图，黑色长箭头指向为电极化P的方向，黑色与红色短箭头表示磁序方向。
2013年，Jedrecy等人通过实验将5-40纳米厚度的多晶Co薄膜制备在15-17nm厚度的单晶BaTiO3 001方向薄膜上，他们通过实验测量发现此种体系在室温下存在很强的磁电耦合作用，磁电耦合系数可达0.27s/F。铁电超控磁性在实验上的成功实现说明电控磁性在将来发展多铁器件领域是非常有前途的[5]。
综上所述,虽然前人对电控磁性做了一系列的工作，但是我们发现被研究的体系大部分是金属与铁电体的混合结构。此类体系在应用上会存在漏电的现象，这种缺陷将极大地妨碍其应用。另外理论上的超晶格体系并不能真正反映实际情况的性质，因为实际的体系总是要存在表面的。本工作从实际出发去研究钙钛矿磁性薄膜与钙钛矿铁电薄膜的混合体,这种模型的体系将能够克服上述障碍[6]。
1.2 第一性原理
第一性原理就是将多个原子所构成的体系称之为多粒子系统以Schrodinger方程最大限度地进行计算，只需输入原子的核电荷数，普朗克常量，电子质量和一些模拟环境参数求得本证值和本证函数即可研究体系的基本物理性质。第一性原理计算方法既用于对当前的计算结果给与解释，又依据根据电子与原子核的相互作用原理去计算物质结构极其能量，然后能够推断出所计算物质的各种物理性质。
我们的工作中所涉及的第一原理方法实际上是从头算（ab-initio），这种方法不使用任何实验上的、经验的及半经验的参数，只用一些最基本的输入参量：如物质结构（分子、原子坐标位置）及构成物质的元素种类等，然后根据密度泛函理论（DFT）去进行数值计算，最终得到所研究体系的基态性质。当然，如果要提高计算的速度及效率，也可以适当加入一些经验参数，可以大大加快计算速度。然而这样做的弊端是会不可避免的牺牲计算结果的精度，也会在最终体系的物理性质中引入人为因素[7]。
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 第一性原理 3
1.3 密度泛函理论 4
1.4 VASP软件简介 9
第2章 关于SrMnO3/BaTiO3的第一性原理研究 10
2.1 计算方法与细节 10
2.2 计算结果与讨论 11
2.3 小结 15
第3章 展望 16
致 谢 17
参 考 文 献 18
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 铁电体
在一定的温度范围内，某些晶体具有自发电极化的性质，而且其自发电极化强度可以通过施加外场加以改变，电极化强度与电场为非线性关系，存在电滞回线，如图1。通常我们把这种特殊性质称为铁电性，而把这种具有铁电性的晶体称为铁电体。简单地说，铁电体就是正负离子电荷中心不重合的绝缘体。按照晶体的元素构成及微观结构的特征区分铁电晶体，可以分成两类：一类晶体含有氢键，典型的如罗息盐。另外一种晶体是双氧化物，如PbTiO3、BaTiO3等晶体。铁电体有着十分良好的科研价值和应用潜力，如铁电信息存储器和铁电发电机等仪器。
本工作中所涉及到的BaTiO3是非常典型的一种铁电体，钙钛矿结构BaTiO3在大于120摄氏度时为立方结构，正负电荷中心重合，无自发极化；而当温度在0摄氏度到120摄氏度温区为四方结构，正负电荷中心不重合，
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
成两类：一类晶体含有氢键，典型的如罗息盐。另外一种晶体是双氧化物，如PbTiO3、BaTiO3等晶体。铁电体有着十分良好的科研价值和应用潜力，如铁电信息存储器和铁电发电机等仪器。
本工作中所涉及到的BaTiO3是非常典型的一种铁电体，钙钛矿结构BaTiO3在大于120摄氏度时为立方结构，正负电荷中心重合，无自发极化；而当温度在0摄氏度到120摄氏度温区为四方结构，正负电荷中心不重合，存在自发极化，自发极化方向沿着四重轴；在小于0摄氏度而大于零下80摄氏度时，体系为正交晶系，自发极化方向沿二重轴；小于零下80摄氏度温区体系为三角晶系，自发极化方向沿三重轴（图2）。BaTiO3在室温区就存在铁电性及其规则的自发极化方向（001）的特性，决定了其非常有利于实际应用。
图1：电滞回线 图2：BaTiO3四种晶型原胞
1.1.2 多铁性及电控磁性
多铁性材料就是同时具有铁电和铁磁性质，并且由于多种序参量之间的相互耦合作用而产生新效应性质的物质材料。而且更为关键的是，铁电和铁磁之间的相互耦合可以实现铁电和铁磁之间的相互调控。即，通过电场变化可以改变材料的磁化方向，而通过磁场变化可以使材料的电极化方向发生改变[1]。其在新型磁电器件、自旋电子器件、高性能信息存储与处理等方面有着很大的研究意义和应用前景。同时，多铁性耦合物理在电荷、自旋、轨道、晶格等凝聚态物理的多个范畴都有涉及研究和应用，其研究的内容已成为国际上一个新的前沿研究领域[2]。然而，这类物质材料的研究依然面临着很多的局限性，如：（1）体系的铁电性较强，而铁磁弱；（2）体系的铁磁性强，而铁电性弱；（3）体系的铁电和铁磁性都比较大，但是它们之间的耦合却比较弱。这会导致给相应材料加外场时，体系的电磁性却不随着外场的变化而发生响应。而在现实的研究中，物理学家们一直在寻找更为合适的多铁性材料。
近些年来，科学家们为了克服上述困难另辟蹊径，纷纷把目光投向了电控磁性的研究。电控磁性即对材料体系施加电场，体系的磁序会随之响应，甚至会对体系的输运性质也有影响。电控磁性的研究在国际上已经逐渐地成为了一个相当热门的研究方向,当然这也是因为这类有相当大的研究意义和应用前景。
2006年, Fechner等人应用第一原理方法模拟了PbTiO3铁电层与Fe/Au/Fe三层膜组成的混合体系的性质，他们通过计算发现铁磁层与铁电层存在强耦合。而且，他们还发现由于铁电层与铁磁层间的交换耦合作用，铁电极化方向一旦改变会引起铁磁层间磁序的180度翻转。这种磁电耦合机制可望应用到磁数据存储领域[3]。
图3 铁电铁磁混合结构示意图
此外，Burton等人研究了铁磁-铁电异质结（La1?xAxMnO3/BaTiO3）（图4），去探索此类材料结构的磁电效应；他们通过第一原理计算发现，适当的A型原子的参杂量即x值，能够导致体系界面处的磁序对BaTiO3层的电极化变化产生显著地响应：体系随着电极化的变化，会导致界面处会出现铁磁序到反铁磁序的变化[4]。
图4（La1?xAxMnO3）5.5/（BaTiO3）4.5异质结的结构图，黑色长箭头指向为电极化P的方向，黑色与红色短箭头表示磁序方向。
2013年，Jedrecy等人通过实验将5-40纳米厚度的多晶Co薄膜制备在15-17nm厚度的单晶BaTiO3 001方向薄膜上，他们通过实验测量发现此种体系在室温下存在很强的磁电耦合作用，磁电耦合系数可达0.27s/F。铁电超控磁性在实验上的成功实现说明电控磁性在将来发展多铁器件领域是非常有前途的[5]。
综上所述,虽然前人对电控磁性做了一系列的工作，但是我们发现被研究的体系大部分是金属与铁电体的混合结构。此类体系在应用上会存在漏电的现象，这种缺陷将极大地妨碍其应用。另外理论上的超晶格体系并不能真正反映实际情况的性质，因为实际的体系总是要存在表面的。本工作从实际出发去研究钙钛矿磁性薄膜与钙钛矿铁电薄膜的混合体,这种模型的体系将能够克服上述障碍[6]。
1.2 第一性原理
第一性原理就是将多个原子所构成的体系称之为多粒子系统以Schrodinger方程最大限度地进行计算，只需输入原子的核电荷数，普朗克常量，电子质量和一些模拟环境参数求得本证值和本证函数即可研究体系的基本物理性质。第一性原理计算方法既用于对当前的计算结果给与解释，又依据根据电子与原子核的相互作用原理去计算物质结构极其能量，然后能够推断出所计算物质的各种物理性质。
我们的工作中所涉及的第一原理方法实际上是从头算（ab-initio），这种方法不使用任何实验上的、经验的及半经验的参数，只用一些最基本的输入参量：如物质结构（分子、原子坐标位置）及构成物质的元素种类等，然后根据密度泛函理论（DFT）去进行数值计算，最终得到所研究体系的基态性质。当然，如果要提高计算的速度及效率，也可以适当加入一些经验参数，可以大大加快计算速度。然而这样做的弊端是会不可避免的牺牲计算结果的精度，也会在最终体系的物理性质中引入人为因素[7]。
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