稳态强磁场下高温磁电多铁材料CuO单晶的H-T相图研究

A magnetoelectric multiferroic combines ferroelectricity and any kind of magnetism in the same phase. Because of the great value for application and the unclear physical mechanism, the study on magnetoelectric multiferroics is important for both of application and fundamental research. CuO is one of the most popular materials in the multiferroic research, as a high temperature magnetoelectric multiferroic whose multiferroic phase exists at much higher temperature than the other second class magnetoelectric multiferroics with strong magnetoelectric coupling. From the Landau free energy calculation, CuO has 6 antiferromagnetic phases in the H-T phase diagram. However, the existence and the specific region of several phases have not been determined by experimental measurements yet， because very high magnetic fields are required. Furthermore, it was recently suggested by calculations that room-temperature multiferroicity in CuO could be expected with application of hydrostatic pressure. Thus it is very important to figure out the whole H-T phase diagram of CuO by experiments, and to find out the internal principle of the phase transitions and the way to tuning the region of the multiferroic phase. We plan to solve these problems by different measurements with static magnetic field up to 40 T and high pressure setup at the High Magnetic Field Laboratory, Chinese Academic of Science (CHMFL). We believe that our study will provide more experimental basis and ideas for multiferroic material research and new high temperature magnetoelectric multiferroic exploration.

磁电多铁材料是一类同时具有铁电性和某种磁性的材料。由于其潜在的巨大应用价值及尚未研究清楚的物理机制，磁电多铁材料研究无论是对应用还是基础研究都具有重要意义。CuO是一种高温磁电多铁材料，其多铁相存在的温度比其他具有强磁电耦合效应(第二类)的磁电多铁材料高出很多，是目前多铁研究的重点材料之一。通过朗道自由能计算，可以得到CuO的H-T相图具有6个反铁磁相，但其中多个相及其存在的具体区间还没有被实验测量所确定，因为需要的磁场很高。另外已有计算指出，在高压下CuO的多铁相将可以存在于室温以上。因此通过实验确定CuO完整的H-T相图，研究清楚各相之间转变的内在原理，找到调节多铁相存在区域的方法，对整个多铁材料研究具有重要意义。我们计划运用中科院强磁场科学中心能够提供的高达40T的稳态强磁场及高压装置，结合各种测量方法来解决这些问题，为多铁材料研究及新高温磁电多铁材料探索提供更多的实验依据与思路。

CuO在2008年被发现在213K-230K的温区内存在自发的电极化，成为一种高温磁电多铁材料。做为一种比普通第二类磁电多铁材料转变温度高出许多的高温磁电多铁材料，CuO具有重大的研究意义与潜在应用价值。但在随后的研究中人们并没有发现CuO具有磁电耦合效应。我们通过脉冲强磁场下的电极化强度测量，成功观察到了CuO具有很强的磁电耦合效应，并且发现在213K附近很小的温度范围内，较小的磁场也能引起CuO电极化强度的剧烈变化。为了阐明CuO在如此高温下存在磁电耦合效应的原理以及多个相的自旋结构以及它们之间相互转变的驱动因素，我们开展了多项研究。首先我们发现之前的方法生长的CuO样品存在电阻过小的问题，这会导致介电与电极化测量精度不够，因此我们尝试通过新的方法来生长CuO样品。我们运用CuBr作为输运剂使用化学气相输运方法生长出了高质量的CuO片状样品，其电阻率比之前的样品大了3个数量级左右。之后我们开展了开展了超导磁体和水冷磁体中的介电与电极化测量，清楚的观察到了AF1，AF2和AF3相之间的转变。我们发现新方法生长的样品部分相变随磁场的变化行为与之前的样品有很大的区别，推测可能是氧缺位的不同导致的。相关研究加深了对CuO的高温磁电耦合性质与原理的理解。