高性能钙钛矿结构RFeO3功能新材料晶体制备与应用基础研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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高性能钙钛矿结构RFeO3功能新材料晶体制备与应用基础研究

项目名称：高性能钙钛矿结构RFeO3功能新材料晶体制备与应用基础研究
项目类别：重点项目
批准号：50932003
申请代码：E0204
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2010-01-01-2013-12-31

项目负责人：曹世勋
负责人职称：教授
依托单位：上海大学
批准年度：2009

中文摘要：

作为非共线的反铁磁体，正交钙钛矿结构RFeO3（R为稀土元素）稀土铁氧体具有独特的磁性能和磁光性能，有望成为新的功能材料。本课题拟针对该类材料晶体制备的困难，采用光学浮区法制备不同稀土离子组分的RFeO3晶体，系统研究稀土离子的半径、外层电子结构等对材料磁性、磁光和超快自旋重取向等性能的影响，在新型磁光和自旋电子学器件应用方面开展基础性研究工作。发展和掌握高性能RFeO3功能新材料的晶体制备关键技术，并对其宏观物理性能和微观机制有深入的了解，从而实现对材料性能的人工调控，寻找2-3种具有重要潜在应用价值的功能新材料，在器件原型设计和应用基础研究方面进行有益的探索。在光学浮区法工艺基础上，通过掺杂等改善熔体性能，采用提拉法或坩埚下降法等生长大尺寸单晶体，制备出1-2种具有重大应用潜力的RFeO3大尺寸单晶材料，为进一步实用化新材料的晶体制备和器件应用研究提供重要的技术积累和基础研究资料。

中文主题词：稀土正铁氧体；自旋重取向；各向异性磁熵；超快光磁效应；太赫兹波相干控制

英文摘要：

Rare earth orthoferrites；Spin reorientation；Anisotropic magnetic entropy；Ultrafast optomagnetic effect；Terahertz wave coherent contro

英文主题词： Rare earth orthoferrites；Spin reorientation；Anisotropic magnetic entropy；Ultrafast optomagnetic effect；Terahertz wave coherent contro

结论摘要：

近年来，由于在钙钛矿结构稀土正铁氧体RFeO3（R为稀土离子）体系中激光诱导的超快自旋重取向，太赫兹波自旋相干控制，多铁性和低温强磁电耦合效应的发现，使RFeO3成为凝聚态和材料物理领域最新研究热点之一。本项目围绕该体系的1）高质量单晶样品的制备和表征；2）奇异磁相变和自旋开关效应；3）磁热效应；和4）超快光磁效应等几个方面，开展了全方位的系统性研究，取得了一系列创新性的研究成果，主要工作概括如下 1）探索并掌握了采用光学浮区法生长高质量RFeO3体系单晶样品的方法，成功制备了该体系多个组分的高质量单晶样品，并对晶体样品质量进行了定向和表征，其中“二次熔融法生长稀土正铁氧体光磁功能晶体的方法”获得国家发明专利的授权。 2）R-4f和Fe-3d电子的强耦合作用导致该类体系具有丰富的磁特性。我们研究了NdFeO3和SmFeO3等单晶可调控的奇异复杂磁相变，结合第一性原理计算和分析，针对 RFeO3体系中的自旋重取向、磁化补偿点、磁化翻转和自旋开关效应等独特而丰富的磁特性开展了深入的研究。这些奇异磁现象有望在快速自旋开关和自旋电子学控制方面实现重要的技术应用。 3）RFeO3是典型的强关联电子体系，存在自旋、电子、晶格之间的相互耦合。各向异性的反对称DM相互作用是RFeO3材料中磁晶各向异性的重要来源。研究发现，在低温区ErFeO3单晶内部的磁各向异性不仅来自于Fe3+间各向异性的交换作用，同时由于低温区Er3+之间各向异性相互作用的增强，使得ErFeO3在低温下表现出良好的各向异性的磁热效应。HoFeO3和ErFeO3单晶作为一类很好的候选磁热材料在低温磁制冷领域有着潜在的应用前景。 4）反铁磁RFeO3体系中的自旋震荡频率远远高于铁磁材料，有望实现太赫兹脉冲对自旋的超快控制。RFeO3中自旋的Free-induction-decay(FID)过程所辐射的电磁波在太赫兹波段，频率的大小受到R3+半径以及外层电子排布的调控。我们利用太赫兹脉冲的磁场分量在RFeO3中进行自旋激发和超快自旋调控，通过改变入射太赫兹脉冲与晶轴的夹角可以实现不同模式的选择激发和强度控制，在超快信息存储和自旋调控方面具有很好的应用前景。首次利用偏振的THz时域光谱观察了NdFeO3和PrFeO3体系中的自旋动力学行为，该研究清楚地显示出透射THz光谱在研究固体中的自旋现象方面具有巨大的潜力。

成果综合统计