稀土鈣鈦礦氧化物結構、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領域誘人的應用前景而得到廣泛關注，新型多鐵性材料的設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研究領域的核心地位。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構和物理性能。

2、本工作引入了三種用于改性鈣鈦礦體系的“力”，分別為化學壓（稀土離子半徑效應）、靜水壓以及外延應變。由于這三種“力”皆可影響鈣鈦礦體系的體積和物理性質，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或調控其磁性、鐵電性、多鐵性和其他電學性能。通過第一性原理計算，獲得如下主要結論:
　　稀土鈣鈦礦體系晶體結構和物理性能的化學壓和靜水壓效應并不是等價的。一方面，化學壓對稀土鈣鈦礦體系(例如RFeO3和

3、R2NiMnO6)的氧八面體扭轉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構參數(shù)的影響往往是線性的，而化學壓則不然，例如晶格常數(shù)b和鍵長隨化學壓的變化趨勢并不是單調的。此外，化學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，導出了聯(lián)系于BO6八面體扭轉（∞R和ωM分別為八面體反相和同相扭轉）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)的鐵電性具有規(guī)律性—當且

5、僅當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。
　　通過外延應變方法在順電的稀土鐵氧體中誘導出鐵電性，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壓和外延應變調控。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)在足夠大的拉應變下相變?yōu)镻21am(Ⅰ)相，并可能在臨界拉應變出呈現(xiàn)一個多相