磁性铁电材料的第一原理研究与大尺度相结构模拟

有效磁-电相互调控对自旋电子学和信息科学等领域有着重大的意义，磁性铁电材料就是一个极有潜力的途径，国际相关研究正处于高速拓展期。我们拟采用无可调参数的、高精度的第一原理方法研究重要的铁电和共线磁性铁电材料的电子结构和不同光子能量下的介电常数、光电导、光反射率等，与实验比较，探索新现象；同时，借鉴稀磁半导体的成果，通过多种途径探索提高铁电材料的极化率,探索在非磁性铁电材料中、在高温反铁磁性铁电材料中实现高温或较高温的铁磁性；另一方面，拟研究共线磁性铁电材料的铁电极化和自旋磁化的大尺度相结构，建立尽可能普适的相场模型，探索边界对铁电性等的作用及各种畴结构的静态和动态特性，这也有利于材料的实用优化设计。这些创新性研究视角独特，探索性强，但我们拥有足够的研究能力，具备足够的研究积累和研究条件，有信心圆满完成本项目的研究任务，达到研究目标，找到预期的高性能铁磁性铁电材料，对这个领域做出实质贡献。

磁性铁电材料是一类重要的多铁材料，也是重要的半导体自旋电子学材料,其基础研究、材料探索、器件设计等都具有极为重要的意义。本项目的主要研究内容是对一些典型的磁性半导体和铁电体材料开展了系统的计算研究和模型分析，探索了在半导体表面上放上合适的磁性超薄层所形成的复合结构，一方面研究其物性并与相关实验结果对比，发现新的亮点，探索新的特性和机理，同时比较不同的密度泛函理论交换关联泛函和计算方法，遴选出了进一步工作所需要的合适的计算和分析方法；因为BiFeO3是最重要的单相多铁材料，我们围绕BiFeO3和Bi2FeCrO6等多铁材料，在不同方向上开展了新型铁磁铁电材料的探索，重点探索了包含Bi和Pb的、具有双钙钛矿结构和钙钛矿结构的氧化物材料。我们采用改进的交换关联泛函，对TiO2、BaTiO3、SrTiO3、CdCr2Se4、HgCr2Se4、Ca2CrReO6、Ca2FeReO6等，给出了更准确的半导体能隙，改进了其电子结构、磁性和光学性质的第一原理描述，证明这个计算方法对各类半导体都有很好的效果。通过第一原理计算研究，发现Ca2CrReO6和Ca2FeReO6是半导体，与电子输运实验一致，并且揭示出了其中的氧八面体结构畸变和半导体属性的关联。通过第一原理计算，发现了TiO2（001）表面加上CrO2单胞层在门电压作用下具有典型的电开关效应，其中CrO2单胞层很可能因为界面作用存在电极化。对已有的Bi2FeCrO6多铁材料，我们通过第一原理计算和模型分析，得到了与实验一致的结果，改进了其理论解释。我们发现在BiFeO3中以Mo替代一半的Fe所得到的双钙钛矿结构氧化物Bi2FeMoO6是一个亚铁磁半导体，具有能隙0.545 eV，有很强的宏观净磁矩（每化学式两个波尔磁子），其磁性居里温度可达650K，通过第一原理铁电性计算发现其铁电极化率高达85muC/cm2，因此Bi2FeMoO6是一个具有强铁电性和强亚铁磁性的多铁材料，将会有很好的应用价值。另外，我们通过构建出金刚石NV中心自旋三重态的精确时间演化算符，实现了快速量子逻辑门，该方案只需要控制磁场的强度，其速度可达到纳秒级，保真度也可以很高。这些研究成果和方法，丰富了多铁物理的知识，将有助于进一步认识磁性铁电材料的物性、设计新的高性能磁性铁电材料和器件。

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