衬底应力对双铁电极化机制锰氧化物薄膜多铁性的调控研究

The manganites RMnO3 (R is a small size trivalent rare-earth ion), which possess two kinds of multiferroic mechanisms, not only contain rich physics mechanisms but also have significant potential applications due to their complex exchange interactions. However, some drawbacks like weak ferroelectricity and low working temperatures become the bottleneck for the practical applications of these multiferroic RMnO3. Since the strain can effectively modify the lattice structure and then the complex exchange interactions in multiferroic RMnO3 thin films, the strain-modulation can be adopted as an effective way to promote the performance of double-multiferroic mechanisms RMnO3 as well as to reveal the hidden physical mechanisms. In this research project, we select special candidates DyMnO3 and HoMnO3 as prototype materials and focus our attentions on the strain-modulation effects on the multiferroic properties of multiferroic RMnO3 thin films. In detail, the research project will include: 1) Modifying the degree of lattice distortion through strain-modulation and then study the strain-modulation effects on the spin-orbit coupling mechanism and the spin-phonon coupling mechanism, as well as the optimization of multiferroicity; 2) Using the strain-modulation mechanism to explore whether the two multiferroic mechanisms can be achieved together in other RMnO3 multiferroic thin films.

双铁电极化机制锰氧化物材料蕴含丰富而深刻的物理内涵，具有重要的应用价值。但目前该类材料仍然存在铁电极化弱，相变温度低等不足。将该类材料薄膜化，利用衬底应力等因素调控薄膜晶格畸变，进而调控体系复杂交互作用，是优化其多铁性能的一条有效途径。本项目以同时具有自旋-轨道耦合和自旋-声子耦合机制的DyMnO3和HoMnO3为研究对象，重点关注衬底应力对双铁电极化机制锰氧化物薄膜性能的调控以及背后的物理机制。主要研究内容包括：1)利用衬底应力调控DyMnO3和HoMnO3薄膜的晶格畸变程度，深入研究衬底应力对两种铁电极化机制以及多铁性能的调控与优化；2)利用衬底应力寻找其它能够实现多种铁电极化机制协同复合的多铁性锰氧化物薄膜材料，探索性能优异的新型多铁性材料。

双铁电极化机制锰氧化物材料蕴含丰富而深刻的物理内涵，具有重要的应用价值。但目前该类材料仍然存在铁电极化弱，相变温度低等不足。本项目以双铁电极化机制锰氧化物为研究对象，重点关注精细结构调控对其多铁性的调控以及优化锰氧化物多铁性能的有效途径。本项目实施三年以来，主要研究内容以及研究成果如下：.1) 利用Lu3+离子对GdMnO3进行A位替代，调控了Gd1-xLuxMnO3(GLMO)体系的A位平均离子半径，促使GLMO体系中引入了出现了螺旋序与E-型反铁磁序共存、竞争的情况，并导致体系的铁电极化强度得到极大提高。.2) 利用异价碱土金属离子Ba2+对六角HoMnO3进行A位替代，增大Ho1-xBaxMnO3的晶格结构畸变，从而有效的提高了HoMnO3的铁电极化强度。.3) 利用异价碱土金属离子Ca2+对正交结构SmFeO3进行A位替代，调控体系的晶格结构，从而有效的提高了SmFeO3的介电极化强度和磁化强度。.4) 利用异价碱土金属离子和稀土离子对螺旋自旋结构的多铁性材料BiFeO3进行A位元素替代，系统研究了氧空位浓度对其磁基态的影响，完善BiFeO3磁结构相图。.5) 探索了不同长度氧化锌纳米棒的制备条件以及其对CdS / CdSe量子点敏化太阳能电池光电转换效率的影响；此外，通过微波辅助气相沉积法在FTO透明导电基底表面制备硫化铜/硒化铜对电极，并将这种对电极应用于量子点敏化太阳能电池，探索提高电池光电转换效率的有效方法。