多铁性超晶格薄膜中电极化-电磁性-应力耦合的机制研究

强关联体系是当今凝聚态物理学的主要研究对象。同时具有铁电性和铁磁(或者反铁磁、铁氧性)性的多铁性材料是强关联体系之一。多铁材料中物理性质依赖于电子自旋、电极化、声子和应力之间的耦合。我们将利用脉冲激光沉积和激光分子束外延制备多铁性超晶格薄膜(YMnO3/LaFeO3和GdScO3/SrRuO3)。应力将通过改变衬底,超晶格的总厚度和超晶格组层的厚度来调节。通过透射电子显微术和微分析对上述超晶格薄膜进行全面的微结构分析(包括晶体缺陷、原子尺度上的元素分布、 铁电畴和铁磁畴、薄膜中的应力和相应的亚稳相)。这些薄膜的电、磁性能也将被表征。通过微结构和物理性能的分析对多铁性材料中电、磁、应力间耦合进行实验研究。最后基于量子力学的第一性原理和朗道-金茨堡自由能展开计算来分析上述的实验结果。通过上述薄膜生长-物理性能表征-微结构表征-理论计算来揭示多铁性超晶格材料中自旋,电极化和应力偶合的物理机制。

在本项目的资助下我们研究了利用人工和天然超晶格实现多铁性的可能性。主要得到的结果如下：.1）利用人工超晶格(由反铁磁材料LaFeO3和反铁磁性YMnO3材料构成，所使用的衬底包括(001)和(111)SrTiO3)，我们的确能够大幅度地提高该系统中的磁性性质。剩余磁矩和相应的居里温度分别是0.5-0.8波尔磁子和250K。而且即使我们没有长出一个单胞乘以一个单胞厚度的超晶格也可以得到上述结果，这大大减少了样品合成过程中的难度和对仪器设备的要求。但是在超晶格的铁电性或介电性能的表征中，由于漏电或者损耗过大，所测得的铁电和介电性能不理想。.2）利用天然超晶格(Bi4Ti3O12+不同层数的LaFeO3, BiFeO3材料)薄膜实现多铁性。在该工作中的确发现Bi4Ti3O12-0.5LaFeO3, 和-1.5LaFeO3薄膜中能够同时存在铁电性和亚铁磁性。其相关的剩余电极化强度和磁化强度分别为0.1 uC/cm2(c方向)和0.1波尔磁子每个单胞。这些数值都是比较大的。并且该多铁性能够在室温下存在。在耦合实验中(室温下)却没有发现显著的效应，初步的分析是在该体系中可能是耦合非常弱。可能在低温下和强磁场下能够发现显著的耦合。.3）对这些样品进行了细致的微结构分析。结果表明：掺入LaFeO3的系统中当LaFeo3掺入2.5层时Aurivillius结构将被破坏，而在BiFeO3，当掺入3层时，Aurivillius结构都保持非常完整的结构，在SrTiO3系统中，单掺入3层SrTiO3时，Aurivillius结构还保持但是存在了大量的混杂生长(intergrowth)现象。利用第一性原理计算这些系统的焓，所得到的结果完全和实验吻合。