六角铁氧体中静态和动态磁电耦合的磁光研究

Multiferroic materials are new functional materials, which show interesting physics and promising important practical applications in the spintronics. But in the perivous found spiral spin ordered multiferroic materials, the coupling between magnetism and electricity generally is weak and only exhibits at the low temperature. Some hexaferrites have been found lately, showing the magnetically induced ferroelectricity at high temperature and low magnetic field, which makes the magnetoelectric effect on the application road up to a new level. We select the hexaferrites materials as the reserch objects for this project. First, we prepare the high quality polycrystalline and singlecrystal samples of hexaferrites materials; measure and verify the complex magnetic and ferroelectric induced by magnetic in system. We study the samples phonon spectrum and lattice dynamics by the measurement of magneto-optical spectrum including Raman and IR under magnetic field, analyze the intrinsic interaction among the change of microstructure, spin-phonon coupling and multiferroic properties, and explore the mechanism of static magnetoelectric coupling, which can be used to control magnetoelectric coupling. We study the dielectric constant spectrum by the measurement of THz time-domain spectroscopy under magnetic field, analyze the characteristic of electromagnons, and explore the mechanism of dynamic magnetoelectric coupling. By working this project，we want to lay a good foundation for the practical application of such materials.

多铁性材料是一类新型的功能材料,它在自旋电子学领域有着重要的科学内涵和广阔的应用前景。先前发现的螺旋磁有序多铁性材料中，磁电耦合发生的温度较低且耦合强度较弱，近来研究表明一些六角铁氧体材料在高温低磁场下可以产生磁诱导的铁电极化,这使得磁电效应在应用的道路上迈上了一个新的台阶。然而此类材料的静态和动态磁电耦合的机理尚未明确。我们拟选择此类六角铁氧体材料作为研究对象，通过前期制备高质量的多晶、单晶样品，测量并验证体系复杂磁性和磁诱导的铁电性；通过样品在磁场下的拉曼和红外光谱测量，研究体系中声子谱和晶格动力学，分析微结构变化以及自旋-声子耦合等与多铁性的内在关联，探讨材料中静态磁电耦合的微观机理并依据机理对材料进行调控；通过样品在磁场下的THz时域光谱测量，研究体系的介电谱，分析多铁性元激发-电磁振子的特征，探究材料中的动态磁电耦合机理。通过研究此项目，最终为这类材料的实际应用奠定基础。

多铁性材料是指一种材料具有铁磁性、铁电性和铁弹性等联合属性的材料, 具有重要的科学内涵和重大的应用前景。传统的多铁性材料铁电性/磁性耦合都较弱, 更谈不上磁性和铁电性的互相调控。本研究选择具有圆锥自旋结构的材料作为研究对象,成功制备圆锥自旋结构Y型多晶六角铁氧体材料Ba0.5Sr1.5Zn2Fe12O22，通过强磁场下磁性、铁电性等物性研究表明离子注入改变了零场磁结构，存在稳定的正磁电耦合和逆磁电耦合效应，可以实现磁控电同时也可以实现电控磁，找到了磁电耦合的规律，分析了可能在机理，在此基础上我们通过调控把磁电耦合的温度提高到250K，可应用于器件。用脉冲激光沉积法制备了高质量的M型BaFe12-1.65Sc1.6Mg0.05O19和Z型Sr3Co2Fe24O41单晶薄膜，掌握了制备工艺，初步研究了铁氧体材料磁电耦合性质。利用强磁场下的THz时域光谱对圆锥自旋结构CoCr2O4和ZnCr2Se4多铁性样品进行了系统的研究。在CoCr2O4中太赫兹法拉第椭偏率光谱技术揭示了不同磁场下太赫兹波段交换磁振子诱导的光的旋转色散性，圆吸收二向色性以及法拉第椭偏率的磁光现象，观察到亚晶格交换模式下磁偶极子跃迁引起的明显的共振吸收。在ZnCr2Se4中法拉第旋转角依赖磁场和温度的变化同磁结构变化一致法拉第旋转光谱随THz频率和温度的变化搗示了样品的磁结构演化过程，表明了磁光太赫兹时域光谱是研究复杂磁有序变化的一种有效方法。通过宏观和微观磁性以及输运电测量拓展研究了La0.5Ba0.5Co0.9R0.1O3 体系的磁电性质。在这个体系中，Cr3+掺杂给出了一个相反的结果提高了体系居里温度TC，ESR实验表明是Co-O-Cr相互作用的引起的反常结果，磁阻实验结果表明这种相互作用是双交换相互作用。Ti4+掺杂诱导的电荷有序态（CO）被MH 、ESR和磁阻实验证实，在已知Co氧化合物中获得了最大磁阻值（0/14T）。此外我们还设计搭建变温变磁场条件下的磁电耦合测量装置。