內容簡介：
鉍系多鐵氧化物的鐵電起源及相關電控磁性機制的第一性原理研究，碩士學位論文，共72頁。
【摘要】：多鐵性材料是一類同時具有兩種或兩種以上鐵性特征(鐵電性、鐵磁性、鐵彈性或鐵渦性)的多功能材料,而其中各種鐵性之間存在耦合關系使得多鐵性材料具有潛在的應用前景。作為多鐵性材料的研究先鋒,BiFeO3(BFO)是少數(shù)在室溫條件下同時具有反鐵磁性和鐵電性的單相多鐵性材料,其磁電耦合效應和電控磁性受到研究者的廣泛關注。而作為自旋電子學的一個重要分支,電控磁性成為目前信息科學的研究熱點之一,并且在基礎研究與信息存儲領域有著重要的意義。 目前普遍的觀點認為BFO的鐵電性起源于Bi-6s孤對電子,但這很難解釋四方相BFO的鐵電極化強度以及鐵電極化方向和磁化易軸存在的耦合關系。本論文采用第一性原理計算方法,結合我們發(fā)展的軌道選擇性外場(Orbital Selective External Potential, OSEP)方法,闡明了BFO的鐵電起源,并揭示了相關電控磁性的物理機制。主要內容和創(chuàng)新點如下： 1和南京大學萬賢綱教授合作發(fā)展了OSEP方法。該方法可以精確地控制特定原子軌道的移動,有助于研究原子軌道對材料物理和化學性質的影響。OSEP方法可以同時在不同原子軌道上施加外勢場,這給研究體系的某些現(xiàn)象或是起源問題提供了多種選擇性。 2在間接磁交換體系中發(fā)現(xiàn)一種全新的鐵電形成機制,磁性相互作用有利于形成鐵電相,若磁性能具備克服彈性能的條件,體系會呈現(xiàn)鐵電相。以經(jīng)典的反鐵磁材料MnO為例,計算得到雙軸壓應力可以增加磁性能,降低彈性能,從而導致鐵電相的出現(xiàn)。 3研究了BFO的鐵電起源。計算發(fā)現(xiàn)除了Bi-6s孤對電子對鐵電性有影響之外,Fe-3d態(tài)對鐵電性也有貢獻,包括間接超交換作用和Fe-O成鍵。尤其是在四方相BFO中,由于Fe-O-Fe超交換作用的增強,使得Fe-3d態(tài)對鐵電性的影響更加明顯,鐵電極化強度也隨之增強。 4研究了類四方相BFO的電控磁有序和金屬-絕緣相變。結果發(fā)現(xiàn)[001]極化態(tài)的BFO在晶格常數(shù)為3.91A附近其反鐵磁序出現(xiàn)從C1型向G型的轉變,而這種改變可以用海森堡交換積分常數(shù)Jc和J2c的競爭來解釋。同時,由于[111]極化態(tài)一直保持在G型反鐵磁序,因此在一定條件下外加電場使得鐵電極化從[001]轉到[111]方向,相應的反鐵磁序從C1型轉變?yōu)镚型,從而實現(xiàn)了電控磁有序。而通過計算類四方相BFO的線性和非線性光學性質,發(fā)現(xiàn)在低頻處二次諧波系數(shù)χzzz(2)對C1型反鐵磁序的響應要比G型反鐵磁序強很多,因此可以通過探測χzzz(2)來區(qū)別C1型和G型反鐵磁序。應力和鐵電極化方向不僅能改變磁有序,也能誘導金屬-絕緣相變,當晶格常數(shù)逐漸增加時,[001]極化態(tài)從絕緣態(tài)變?yōu)榻饘賾B(tài),而[110]極化態(tài)卻從金屬態(tài)變?yōu)榻^緣態(tài),因此在一定的晶格常數(shù)下外加電場可以改變鐵電極化方向來引起金屬-絕緣相變的出現(xiàn)。 5研究了BFO的磁晶各向異性能和凈磁矩。計算發(fā)現(xiàn)當鐵電極化從[111]轉到[001]方向時,其磁晶各向異性能將會增加一個數(shù)量級,這增強了體系中Dzyaloshinskii-Moriya相互作用。通過考慮BFO的非共線磁序,計算得到磁矩偏角以及凈磁矩都會出現(xiàn)明顯的增加,從而體現(xiàn)出一種電控凈磁矩的效應。
關鍵詞:BiFe03;鐵電性;軌道選擇性外場;電控磁性;非線性光學;金屬-絕緣相變;第一性原理計算
第一章緒論
隨著信息技術的發(fā)展,人類對信息存儲的要求也逐漸提高,因而大量的研究開始關注體積小,密度高,速度快,功耗低和壽命長的信息存儲器件。但同時傳統(tǒng)的半導體工藝技術已經(jīng)快要達到理論預計物理極限,難以大幅度提高存儲器的性能。所以想要在信息存儲領域取得突破性的進展,就必須另辟溪徑,尋找出新型材料或是新的理論方法。如今,同時具有鐵電性和(反)鐵磁性的多鐵性材料已經(jīng)成為多功能材料的研究熱點,并受到越來越多研究者的廣泛關注[M]。
鐵電(鐵磁)性材料具有剩余極化(磁化)以及可翻轉的極化(磁化)態(tài),這就允許二進制信息存儲在它們的兩個極化(磁化)態(tài)中[5]。目前已經(jīng)商業(yè)化的磁隨機存儲器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)就是利用磁場來控制其磁化方向從而寫入信息,并利用不同的磁阻態(tài)進行讀取[6,7],然而由于MRAM具有較高的矯頑場,需要較大的磁場來控制磁信息寫入,因而能耗較高。類似地,鐵電隨機存儲器(Ferroelectric Random Access Memory, FeRAM)可以通過電場調控鐵電極化態(tài),使其具有較快的寫入速度和較低的能耗,但同時電學讀取具有破壞性[8],這就限制了 FeRAM的廣泛應用。如果把低能耗的電學高速寫入信息的方法和無破壞性的磁學高速讀取信息的方法結合到一起,達到磁讀電寫的目的,這樣可以大幅度地提高信息讀寫的效率[9]。
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