铁电体batio3调控srcoo3薄膜的磁序与输运性质
通过施加电场对磁性的调控，我们称之为磁电耦合，这是当今最活跃的研究领域之一。除了基本的科学研究价值，磁电效应可能导致数据存储和处理等相关新设备的出现。目前，磁电耦合存在几个已知的机制：单相材料的内在效应，应变诱导的两相复合材料的耦合及界面上的电子驱动作用。本文中，我们讨论了一种不同于以上类型的新型磁电效应：在铁磁/铁电薄膜中电极化的切换引起磁序重构。我们通过第一性原理计算证明了SrCoO3 /BaTiO3的（001）混合体系薄膜存在磁电耦合效应。计算结果表明，BaTiO3铁电极化反转的变化会导致SrCoO3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
第一章绪论 1
1.1研究背景 1
1.1.1铁电体 1
1.1.2多铁及电控磁性 3
1.2第一性原理 4
1.3密度泛函理论 4
1.4VASP软件简介 7
第2章 关于SrCoO3/BaTiO3第一性原理的研究 8
2.1计算方法与细节 8
2.2计算结果与讨论 9
2.3小结 12
第3章 展 望 1
致谢 1
第一章绪论
1.1研究背景
1.1.1铁电体
铁电体是非常具有市场前景的一类材料，铁电体的研究不仅仅是有重要学术含义的问题，并且对铁电体的应用也有很重要的作用。研究铁电体的实验模型很多。早期的实验具有非常强的经验性。有一种未开发的物理机制，它在基于第一原理计算的条件下，且能够在多层铁电铁磁反应里产生磁电效应[1]。它的产生，是源于在铁电铁磁碰触界面发生磁化现象时，电极反转时所发生的变化。当采用BaTiO3多层膜作为一个极具代表性的模型时，我们会发现在铁和钛原子磁矩里，由于局部电偶极矩的不同方向而导致接口不一而产生了一个相当大的区别。预测的磁电效应为打开控制薄膜磁性能的层状结构的电场开启了一个新方向。多铁性材料是重要的科技与技术利益，由于其磁电性能来源于铁电与铁磁序参量之间的耦合始发。铁电性和磁性的相互作用使铁电性能的磁控制技术和磁学性质所产生的磁控制技术得以应用于新概念电动控制装备之中，如铁电和
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3多层膜作为一个极具代表性的模型时，我们会发现在铁和钛原子磁矩里，由于局部电偶极矩的不同方向而导致接口不一而产生了一个相当大的区别。预测的磁电效应为打开控制薄膜磁性能的层状结构的电场开启了一个新方向。多铁性材料是重要的科技与技术利益，由于其磁电性能来源于铁电与铁磁序参量之间的耦合始发。铁电性和磁性的相互作用使铁电性能的磁控制技术和磁学性质所产生的磁控制技术得以应用于新概念电动控制装备之中，如铁电和多枢纽铁隧道等。近日，通过人工用纳米异质结构材料制造出铁电复合多铁性材料的这种构想变为一种可能的操作。两相多铁性材料可能在未来的磁电设备中起着重要的作用，因为就目前来说，单相多铁性材料中没有任何一个特例能在强大的电场与磁场极化的条件下能够残留下来。在一个薄膜的几何体中，这种复合材料可以创造两种极端形式：一种是由铁电体和铁磁组成的多层交替层，又或是另外一种垂直排列的柱状结构。当磁电耦合通过专门的弹性互相作用发生变化，在多层结构的影响效果下，由于夹紧到基底上，所以是可以忽略不计的。然而从另外一方面来说，在垂直排列的纳米结构中，这种变化是显著地。正如最近已被证明的，亚铁磁结构可以嵌入到一个矩阵结构的铁电铁磁之中一样。在如今铁电体方向的研究中，铁电体的低维特征和调制结构是比较热门的钻研方向。铁电薄膜方向的研究是铁电体低维特征主要的研究方向。尽量控制薄膜的铁电体薄膜的厚度在数纳米左右，在这一范围内的时候能够引起铁电体一些重要的效应，由于这些技术的不断更新和发展，能够应用到更多的工艺中去，如平面加工工艺。在高新科技技术发展方面铁电体的研究一直是研究者话题的热点。目前，铁电材料和别的材料相结合，如同半导体材料等所结合形成的新的新式铁电体材料，让人们的视野更加开阔，
在铁电体方面的研究中，也有一些困扰研究者的方面， 铁电薄膜和电极中间界面存在着界面效应。实验器件功能的好坏对界面特征起着决定性的作用，所以在进行实验之前必须要搞清楚铁电薄膜的性质规律。随着对铁电薄膜材料认识的不断摸索和提高，在对铁电材料的调控研究上逐步发展起来。研究者不断钻研改良工艺就是为了制造出更好的铁电薄膜材料，提高其性能。
在十七世纪初的时候，法国人做出了最早的铁电体，一直等到20世纪初的时候，研究者才对铁电材料有了进一步的认识。随着外电场的反转，可以使晶体的极化强度随之改变，而且利用铁电体的电滞回线也将铁电性摸索出来。作为典型的铁电体，钛酸钡的结构比较简单，钙铁矿的结构具有较高的对称性。在运用方面也很多见，其高性能很快就进入了人们的视线，成为了人们主流的研究对象，在之后的今年里，也逐步发现有PbTiO3这样的钙铁矿结构，铁电活性也同时在这些材料上被发现。不久之后研究者也创建了一套铁电的理论架构，并且不断完善。铁电体自身会发生极化，铁电体在电场作用下能够转向，所以真正在铁电性的研究中起到作用的是极化反转的作用。最终将这种铁电体起到的极化反转的作用体现在铁电薄膜的存储器中来让其作用广泛化。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。
1.1.2多铁及电控磁性
多铁性材料是指不仅具有铁电而且具有铁磁性质的物质，而且当他们利用各自的参量进行耦合作用的时候还能够衍生出新的物质材料。在早期多铁性研究的出现是凝聚态物理休戚相关的，起初的多铁性物理仅仅是演变出了唯象理论，缘于在微观领域对于多铁性认知的局限性。复合多铁性材料是磁电效应的唯一来源[3]。另外还有一种物理机制，这可能会影响到磁性铁电性的作用，它的影响之大不仅是在垂直的纳米结构之中，还可以是在多层膜上起到一定的影响。它所涉及到的，是通过铁电和电磁之间的耦合。由于界面上引起的强电解质不稳定，影响到界面处的原子位置，从而改变其在原子轨道上的重叠，进而产生了所谓的磁电效应。这解释了磁电效应的产生是由于在界面磁化上的突变而引起在外加电场影响下铁电体的极化反转现象。
在十多年前，主要的研究领域如下：（1）在磁电耦合发展领域滞后，很多的工作仅仅是停留在初始的理论阶段，在实践阶段的工作甚少，从而导致了影响不足，文献较少。（2）在朗德理论的预言下对于磁电耦合实验的研究进展较少，等到氧化铬出现了第一组证据之后，才有多种磁电耦合化合物形成。让人所知道的如氧化铬。（3）在多铁性研究的领域方面，对其感兴趣的人并不多，进行深入研究的人就更少了。相较于凝聚态物理领域等热门领域不同，多铁性研究发展迟缓，在该领域的研究中缺乏资金援助，这种困难的状态维系了相当长的一段时间。
很多年来，研究人员一直力求在新的多铁材料领域有新的突破，将很多的注意力投放在电控磁性的研究上。即利用电控磁对物质材料施加电场，那么物质的体系磁序会引起变化。如今电控磁性已经在在多铁材料领域产生了相当大的影响，是炙手可热的一个研究领域，具有相当可观的研究前景。
在研究的对象上，多铁性的研究也是不断的开拓和演变，在其领域不断包容其他属性的事物，使得多铁性的研究逐步走向多元化。根据各司其职的功能我们将多铁性划分为了不同的几种形式。多铁性互相之间的自由度可以依
第一章绪论 1
1.1研究背景 1
1.1.1铁电体 1
1.1.2多铁及电控磁性 3
1.2第一性原理 4
1.3密度泛函理论 4
1.4VASP软件简介 7
第2章 关于SrCoO3/BaTiO3第一性原理的研究 8
2.1计算方法与细节 8
2.2计算结果与讨论 9
2.3小结 12
第3章 展 望 1
致谢 1
第一章绪论
1.1研究背景
1.1.1铁电体
铁电体是非常具有市场前景的一类材料，铁电体的研究不仅仅是有重要学术含义的问题，并且对铁电体的应用也有很重要的作用。研究铁电体的实验模型很多。早期的实验具有非常强的经验性。有一种未开发的物理机制，它在基于第一原理计算的条件下，且能够在多层铁电铁磁反应里产生磁电效应[1]。它的产生，是源于在铁电铁磁碰触界面发生磁化现象时，电极反转时所发生的变化。当采用BaTiO3多层膜作为一个极具代表性的模型时，我们会发现在铁和钛原子磁矩里，由于局部电偶极矩的不同方向而导致接口不一而产生了一个相当大的区别。预测的磁电效应为打开控制薄膜磁性能的层状结构的电场开启了一个新方向。多铁性材料是重要的科技与技术利益，由于其磁电性能来源于铁电与铁磁序参量之间的耦合始发。铁电性和磁性的相互作用使铁电性能的磁控制技术和磁学性质所产生的磁控制技术得以应用于新概念电动控制装备之中，如铁电和
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3多层膜作为一个极具代表性的模型时，我们会发现在铁和钛原子磁矩里，由于局部电偶极矩的不同方向而导致接口不一而产生了一个相当大的区别。预测的磁电效应为打开控制薄膜磁性能的层状结构的电场开启了一个新方向。多铁性材料是重要的科技与技术利益，由于其磁电性能来源于铁电与铁磁序参量之间的耦合始发。铁电性和磁性的相互作用使铁电性能的磁控制技术和磁学性质所产生的磁控制技术得以应用于新概念电动控制装备之中，如铁电和多枢纽铁隧道等。近日，通过人工用纳米异质结构材料制造出铁电复合多铁性材料的这种构想变为一种可能的操作。两相多铁性材料可能在未来的磁电设备中起着重要的作用，因为就目前来说，单相多铁性材料中没有任何一个特例能在强大的电场与磁场极化的条件下能够残留下来。在一个薄膜的几何体中，这种复合材料可以创造两种极端形式：一种是由铁电体和铁磁组成的多层交替层，又或是另外一种垂直排列的柱状结构。当磁电耦合通过专门的弹性互相作用发生变化，在多层结构的影响效果下，由于夹紧到基底上，所以是可以忽略不计的。然而从另外一方面来说，在垂直排列的纳米结构中，这种变化是显著地。正如最近已被证明的，亚铁磁结构可以嵌入到一个矩阵结构的铁电铁磁之中一样。在如今铁电体方向的研究中，铁电体的低维特征和调制结构是比较热门的钻研方向。铁电薄膜方向的研究是铁电体低维特征主要的研究方向。尽量控制薄膜的铁电体薄膜的厚度在数纳米左右，在这一范围内的时候能够引起铁电体一些重要的效应，由于这些技术的不断更新和发展，能够应用到更多的工艺中去，如平面加工工艺。在高新科技技术发展方面铁电体的研究一直是研究者话题的热点。目前，铁电材料和别的材料相结合，如同半导体材料等所结合形成的新的新式铁电体材料，让人们的视野更加开阔，
在铁电体方面的研究中，也有一些困扰研究者的方面， 铁电薄膜和电极中间界面存在着界面效应。实验器件功能的好坏对界面特征起着决定性的作用，所以在进行实验之前必须要搞清楚铁电薄膜的性质规律。随着对铁电薄膜材料认识的不断摸索和提高，在对铁电材料的调控研究上逐步发展起来。研究者不断钻研改良工艺就是为了制造出更好的铁电薄膜材料，提高其性能。
在十七世纪初的时候，法国人做出了最早的铁电体，一直等到20世纪初的时候，研究者才对铁电材料有了进一步的认识。随着外电场的反转，可以使晶体的极化强度随之改变，而且利用铁电体的电滞回线也将铁电性摸索出来。作为典型的铁电体，钛酸钡的结构比较简单，钙铁矿的结构具有较高的对称性。在运用方面也很多见，其高性能很快就进入了人们的视线，成为了人们主流的研究对象，在之后的今年里，也逐步发现有PbTiO3这样的钙铁矿结构，铁电活性也同时在这些材料上被发现。不久之后研究者也创建了一套铁电的理论架构，并且不断完善。铁电体自身会发生极化，铁电体在电场作用下能够转向，所以真正在铁电性的研究中起到作用的是极化反转的作用。最终将这种铁电体起到的极化反转的作用体现在铁电薄膜的存储器中来让其作用广泛化。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。
1.1.2多铁及电控磁性
多铁性材料是指不仅具有铁电而且具有铁磁性质的物质，而且当他们利用各自的参量进行耦合作用的时候还能够衍生出新的物质材料。在早期多铁性研究的出现是凝聚态物理休戚相关的，起初的多铁性物理仅仅是演变出了唯象理论，缘于在微观领域对于多铁性认知的局限性。复合多铁性材料是磁电效应的唯一来源[3]。另外还有一种物理机制，这可能会影响到磁性铁电性的作用，它的影响之大不仅是在垂直的纳米结构之中，还可以是在多层膜上起到一定的影响。它所涉及到的，是通过铁电和电磁之间的耦合。由于界面上引起的强电解质不稳定，影响到界面处的原子位置，从而改变其在原子轨道上的重叠，进而产生了所谓的磁电效应。这解释了磁电效应的产生是由于在界面磁化上的突变而引起在外加电场影响下铁电体的极化反转现象。
在十多年前，主要的研究领域如下：（1）在磁电耦合发展领域滞后，很多的工作仅仅是停留在初始的理论阶段，在实践阶段的工作甚少，从而导致了影响不足，文献较少。（2）在朗德理论的预言下对于磁电耦合实验的研究进展较少，等到氧化铬出现了第一组证据之后，才有多种磁电耦合化合物形成。让人所知道的如氧化铬。（3）在多铁性研究的领域方面，对其感兴趣的人并不多，进行深入研究的人就更少了。相较于凝聚态物理领域等热门领域不同，多铁性研究发展迟缓，在该领域的研究中缺乏资金援助，这种困难的状态维系了相当长的一段时间。
很多年来，研究人员一直力求在新的多铁材料领域有新的突破，将很多的注意力投放在电控磁性的研究上。即利用电控磁对物质材料施加电场，那么物质的体系磁序会引起变化。如今电控磁性已经在在多铁材料领域产生了相当大的影响，是炙手可热的一个研究领域，具有相当可观的研究前景。
在研究的对象上，多铁性的研究也是不断的开拓和演变，在其领域不断包容其他属性的事物，使得多铁性的研究逐步走向多元化。根据各司其职的功能我们将多铁性划分为了不同的几种形式。多铁性互相之间的自由度可以依
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