A位稀土离子磁性对E-型反铁磁序锰氧化物多铁性的影响

The investigation on single-phase multiferroic manganites has been always a hot topic in the fields of condensed matter physics and materials physics in recent years. Due to the exclusion between magnetization and ferroelectricity, the origin of the multiferroicity is complex. However, in the E-type antiferromagnetic (E-AFM) manganites, it is widely accepted that the collinear “zig-zag” spin structure of Mn3+ leads to the symmetric exchange striction, which then induces the appearance of ferroelectricity. This multiferroic mechanism is special, and the ferroelectricity in these E-AFM manganites is great larger than that of cyclodial manganites, closing to that of proper ferroelectrics, so the research on these manganites with E-AFM spin structures is significant and receives special attentions. In this research project, we select typical materials YMnO3 and HoMnO3 as prototypes and focus our attentions on the effect of A-site magnetic property on the multiferroic mechanism of E-AFM manganites and properties optimizing. The details of this research project include: a) Obtain a further understanding of the multiferroic mechanism of E-AFM manganites through substitution the A-site ionic with else elements, which is an effective way to modulate the complex spin exchange interaction and then the multiferroicity；b) Optimize the multiferroic properties of E-AFM manganites through stress and doping ways.

单相多铁性锰氧化物材料，是凝聚态物理与材料物理近年来关注的焦点。在E-型反铁磁序锰氧化物中，目前普遍接受的观点是Mn3+的共线“zig-zag”自旋结构导致了交换收缩，从而产生了宏观的铁电极化。这种特殊的磁电耦合机制诱导产生的铁电极化远大于螺旋序锰氧化物体系，接近常规铁电体，因此对这类材料的研究具有重要意义。本项目以位于螺旋序和E型反铁磁序相边界处的YMnO3和HoMnO3为研究对象，重点关注A位离子磁性对E-型反铁磁序锰氧化物多铁性起源的影响以及其性能优化途径。主要研究内容包括：a) 通过A位离子掺杂调控体系中的复杂交互作用，以此调控体系多铁性行为，深入研究E-型反铁磁序锰氧化物的多铁性起源机制；b) 通过应力、掺杂等实验手段，调控E-型反铁磁序锰氧化物材料的多铁性。

磁致多铁性锰氧化物是多铁性材料家族的重要成员，其中的铁电性来源于特殊的磁结构，因此这类材料具有内秉的强磁电耦合效应，为高密度信息存储器件的实现提供了可能性。本项目以磁致多铁性锰氧化物材料中的典型代表E-型反铁磁序锰氧化物为研究对象，重点研究该类材料中的多铁性起源微观机制，以及多铁性能优化的有效途径。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Gd3+离子对E-型反铁磁序锰氧化物HoMnO3进行A位替代，对Ho1-xGdxMnO3(HGMO)(0≤x≤0.6)体系的系统多铁性测试结果表明：Gd3+离子替代抑制了Ho3+的低温自旋序，与此相对应，体系铁电极化在低温区域的迅速增加趋势也受到了抑制，表明HoMnO3中的铁电极化不仅来源于Mn3+-Mn3+耦合相互作用的影响，同时也取决于Mn3+-Ho3+自旋间的耦合相互作用。此外，由于Gd3+离子的引入，体系中可能存在螺旋序与E-型反铁磁序共存、竞争的情况，并导致体系的铁电极化、磁电耦合效应得到极大提高。该实验结果丰富了E-型反铁磁序锰氧化物的多铁性起源机制，为提高该类材料的多铁性能提供了实验指导。.(2) 利用A位离子替代，在Dy1-xHoxMnO3(DHMO)(0≤x≤1)中实现了体系磁基态从螺旋序到E型反铁磁序的相变，对体系系统多铁性的测试结果表明：该双铁电极化机制锰氧化物在螺旋序与E-型反铁磁序相边界存在多铁性相分离行为，使得体系在相分离区域表现出铁电极化的显著提高和磁电耦合效应的极大增强，指出了提高E-型反铁磁序锰氧化物的多铁性的有效途径，完善了磁致多铁性锰氧化物的多铁性相图。.(3) 利用Lu3+离子对A-型反铁磁序SmMnO3进行A位替代，改变了Sm1−xLuxMnO3体系的A位平均离子半径，实现了体系磁基态从A-型反铁磁序到螺旋序的转变，从而导致体系铁电性的出现。实现了新型多铁性材料的探索与合成。.(4) 利用A位元素替代，系统研究了传统多铁性材料BiFeO3中A位平均离子半径的调制对其磁基态、多铁性的影响，同时还揭示了氧空位对BiFeO3磁结构以及多铁性的影响。完善了材料多铁性的微观物理图像，指出了提高多铁性材料性能的有效途径。