中文摘要：

多铁材料是同时具有铁电性、铁磁性和铁弹性中的两种或者三种性质的材料，因其具有广泛的科技应用前景和丰富的物理内涵而成为当前凝聚态与材料物理领域的研究热点。本项目拟采用实验与理论相结合的研究方法，以高压原位物性测量和第一性原理计算为手段，研究具有典型的PbTiO3晶体结构的新型多铁材料BiCoO3在高压极端条件下晶体结构、电子结构、以及磁有序与铁电有序等多种凝聚态物性的特征；探索压力作用下晶格、自旋、轨道和电荷自由度的合作与竞争而导致的晶体结构、电子结构、输运性质、磁有序与铁电有序以及磁电耦合的变化规律与内在物理机制；模拟并预测一些新量子态和新奇量子现象，探索利用压力调控与裁剪多铁材料功能性和多铁性的量子序的可能。为提高BiCoO3 铁电转变温度、改善铁电极化的强度、实现铁电和铁磁共存以及实际应用提供必要的科学依据和知识储备。

结论摘要：

本项目采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，对新型多铁材料BiCoO3在高压极端条件下（包括单轴压力和化学压）晶体结构、电子结构、以及磁有序与铁电有序等多种凝聚态物性进行模拟、预测与探索，主要工作如下 (1) 研究了在单轴压力作用下，多铁材料BiCoO3晶体结构、电子结构、磁有序态及自发电极化等物理性质的变化。发现沿c轴压缩到9 GPa压力时，晶格参数、原子内坐标和磁矩都发生了突变，一级结构相变伴随着单胞体积坍塌了9.5%，Co-O配位多面体也从金字塔型的CoO5方锥体变成了畸变的CoO6八面体，Co3+离子的自旋态从高自旋变成低自旋。采用PBE GGA和B3LYP杂化泛函计算了BiCoO3的电子结构，B3LYP显著改善了对基态带隙的预测，与实验结果更吻合，高压下是非磁性的绝缘体，与静水压下的半导体行为实验结果一致。 (2) 研究了静水压作用下BiCoO3的高压条件下的电子结构。我们不仅考虑了Co3+离子的可能自旋态（HS，高自旋态；LS，低自旋态；IS，中间自旋态；HS-LS，高低混合自旋态），而且重点考虑了高压下的可能磁结构。发现高压下Co3+离子处于HS-LS混合态，且其基态具有HS-LS-2A型AFM有序，而且能带结构显示其为绝缘态，带隙值约0.25 eV，这验证了实验上的高压半导体行为，也确证了HS-LS混合自旋态，且呈现HS-LS-2A型排布。(3) 研究了对BiCoO3掺杂Fe元素施加化学压力情况下的电子结构和物理性质。考虑了BiCo0.75Fe0.25O3和BiCo0.5Fe0.5O3两种组分，均考虑了钙钛矿结构化合物常见的四种磁有序态，特别的考虑了后者的层间交错导致的复杂磁有序态。BiCo0.75Fe0.25O3的磁基态为C-AFM，即一层Fe-Co离子现棋盘型交错排布，自旋反平行，与另外一层Co离子呈自旋平行排布，系统具有1μB的净磁矩。BiCo0.5Fe0.5O3的磁基态为两种C-AFM，其能量没有差别，说明层间作用很弱，体系呈现比较强的二维属性。层内Fe-Co离子呈现棋盘型交错排布，自旋反平行，与另外一层Fe-Co离子自旋呈平行排布，当层间Fe-Co离子呈相同排布规律时，系统具有1μB的净磁矩，当层间Fe-Co离子呈交错排布时，系统没有净磁矩。BiCoO3掺杂25%和50%的Fe后都可以获得绝缘的铁电与亚铁磁共存的多铁性。