论文摘要
多铁性材料是指在一定温区内同时具有铁电（反铁电）序、铁磁（反铁磁）序和铁弹序的材料。目前研究最为广泛的多铁性材料是指同时拥有极化有序和磁有序的材料。因而,这两种有序之间的耦合作用（磁电效应）是研究的热点。所谓磁电效应,即通过加入外电场感应出磁化,或通过加入外磁场引入极化。自从磁电效应的首次发现以来,人们就意识到,材料的磁性质与电性质的相互渗透将有巨大的科技运用前景。自上世纪60-70年代以来,由于这类材料的不断发现以及两种有序共存耦合导致某些特有的物理性质,而使之备受人们的关注,通过磁电耦合,铁电有序或外电场可导致自旋的再分布而改变系统的磁性质,同样由于自旋有序的涨落通过磁致伸缩可能的电—声子作用可导致铁电驰豫或介电异常。磁电效应主要存在于两类物质中,一类是自旋—轨道有序的物质所表现出的外场（磁场或电场）诱导的线性磁电效应（ME ）,又被称为磁场感生的电矩效应或电场感生的磁矩效应。通常将这类具有线性磁电效应的物质称为磁电体。而另一类是多铁性材料,它除了具有一般磁电体的性质外,还由于固有的本征磁有序和铁电有序的耦合使之存在内禀磁电效应。实验上已经发现了由于内禀磁电耦合导致的介电异常。但就这两种有序的耦合机制及其作用形式和本质还缺乏深入的研究。钙钛矿结构的稀土锰氧化物RMnO3 （ R = Gd , Tb,和Dy ）是典型的多铁性材料。实验表明TbMnO3的晶格结构为正交形变结构,当温度到达某一磁相变温度后,顺电相不再稳定,出现了由磁感应的自发极化,并且外磁场会影响自发极化的大小和方向。MnWO4是另一类多铁性材料,它属于锰钨铁矿结构,实验表明在这类材料中,磁和介电性质之间存在耦合效应,其介电常数在磁有序温度附近出现异常。这两类多铁性材料的磁电性质都来源于竞争的磁相互作用,这种作用会引起长波长的反铁磁正弦有序和螺旋有序,并且磁有序和晶格相互耦合,产生晶格调制,导致铁电性,进而带来磁电的强耦合作用,产生磁场感应的极化翻转。考虑到这两类多铁性材料中磁有序影响晶格调制,从而产生电极化,也就是说,自发极化只是由于与磁序参量的耦合才出现的,因此他们可以被认为是非本征铁电体。在本论文中,首先我们把朗道的非本征铁电相变理论推广到多铁性材料的研究中,对于多铁性材料来说两个初级磁序参量可以在不同温度出现,这与传统意义上的非本征铁电体是不同的,也是多铁性材料的一个特点。在自由能表达式中我们特别加入磁和应力的耦合项,并且考虑了外磁场对铁电相变的影响。其次,基于朗道的非本征铁电相变理论的推广结论,研究了TbMnO3和MnWO4的磁电耦合效应。我们很好的解释了TbMnO3和MnWO4的一系列有趣的实验现象:例如,自发极化的形成机制,由外磁场引入的电极化翻转的原因,以及外场与温度对自发极化的大小和方向的影响,等等。我们认为对于TbMnO3来说Mn的横向磁序参量（即初级序参量的一个分量）是关键,Mn的横向磁序参量的出现导致了自发极化,而Mn的横向磁序参量在ac平面的旋转,即在ab平面存在一个新的Mn磁矩的螺旋反铁磁结构时,系统的电极化发生了翻转;对于MnWO4来说螺旋平面的翻转是关键,即在bc平面Mn磁矩排列为螺旋反铁磁结构,并且自旋有序沿着c轴排列时系统出现了自发极化,而在ab平面存在一个新的Mn磁矩的螺旋反铁磁结构,并且自旋有序方向从c轴转向了b轴时,系统的电极化发生了翻转。
论文目录
相关论文文献
标签：多铁性材料论文; 磁电耦合论文; 朗道的非本征铁电相变理论论文; 自旋螺旋有序结构论文;