论文摘要
由于磁有序和铁电序的共存,多铁性材料具有丰富而且复杂的物理性质以及广阔的应用前景,成为当前凝聚态物理领域的一个前沿研究课题。强磁场极端实验条件是研究物质内部磁结构、自旋相互作用和探索新奇物理现象的重要手段之一,在多铁研究领域中发挥着越来越显著的作用。本论文针对三类典型的多铁性材料开展了系统的低温强磁场实验研究。其中,稀土锰氧化物RMnO3（R=Ho,Er,Yb）具有六角密排晶格结构,属于第一类多铁性材料;DyMnO3和Ni3V2O8具有正交晶格结构,属于第二类多铁材料。另一方面,RMnO3（R=Ho,Er,Yb）,和Ni3V2O8分别具有三角和Kagome磁性结构,因此也是典型的阻挫磁性材料。这些不同的物理属性使得这三类多铁材料在低温强磁场条件下展现出丰富的磁相变、量子相变以及奇异的磁电特性。论文主要分以下几个部分:一、概述了多铁性材料的研究背景,并系统介绍了六角锰氧化物RMnO3（R=Ho-Lu,Y和Sc）、正交锰氧化物RMnO3（R=Eu-Dy）和具有Kagome磁结构的Ni3V2O8的基本物理性质和研究进展。二、简要介绍了样品制备和强磁场实验装置。利用光学浮区法制备了高质量的六角结构HoMnO3单晶,并研制和介绍了脉冲强磁场下的磁化和电极化测量系统。三、利用脉冲强磁场磁化测量,系统研究了六角结构RMnO3（R=Ho,Er,Yb）的磁相变、强磁场H-T相图、磁结构和磁对称性。当磁场沿c方向时,RMnO3（R=Ho,Er,Yb）表现出丰富的磁场诱导的相变。ErMnO3在0.8 T、12 T和28 T经历三个连续的相变,YbMnO3在2.8 T和25 T发生相变,而HoMnO3在0.85T、1.29 T、2.1 T、2.33 T、8T和41 T发生相变。通过对ErMnO3的磁化曲线分析,我们揭示了12 T处相变是一个从1/3磁化平台到铁磁态的磁重取过程,1/3磁化平台的磁结构可以用Er3+离子的Γ2表象描述。相应的,YbMnO3和HoMnO3也具有相似的磁化过程。YbMnO3在25T发生Γ2→铁磁态的转变,而HoMnO3在经历8 T和41 T两个相变过程中发生这样的磁结构变化。此外,我们进一步揭示了三种物质的磁基态都可以用稀土离子的Γ1表象表示,在磁场作用下发生F1→F2磁重取转变。通过分析磁化跳跃和构造完整的强磁场磁相图,我们最后得到不同磁有序相的磁结构和磁对称性等信息。四、通过系统的强磁场磁化和电极化测量,研究了正交结构DyMnO3的磁相变、磁场诱导的铁电态、铁电畴动力学过程、以及变温和转角磁电特性。当磁场沿b方向时,磁化测量结果仅显示了 1.4T和36T两个磁转变,而电极化（E//a）测量结果揭示1.4-36 T之间还存在多种不同的磁有序态或铁电态。通过变温测量我们构造了DyMnO3强磁场磁电相图,并发现低场和高场两种主要铁电态随着温度升高逐渐分离。此外,高场铁电态包含更多的相变特征,并与低场铁电态呈现不同的磁场角度依赖关系。这些实验结果表明,这两种铁电态具有不同的物理微观机制。我们推测,高场铁电态可能来源于Mn3+和Dy3+两种磁性离子的共同贡献,主要由交换伸缩机制导致。五、系统研究了 Ni3V208的强磁场磁电特性,包括磁场诱导的铁电态、强磁场磁电相图、磁电历史过程和磁电记忆效应。研究发现,磁场沿a方向诱导产生2-11 T和19-24 T两个铁电态,电极化矢量沿b方向。在b方向外加偏压下,19-24 T的铁电态能被电场很好调制,而2-11 T的铁电态具有反常的磁电特性:当磁场小于11 T时,电极化完全冻结,其方向不随偏压改变;而当磁场大于11 T时,电极化在偏压作用下发生两步极性反转。研究认为,低场铁电相这种奇特性质来源于Ni3V208的磁电记忆效应,即顺电的基态保存了铁电态信息。该研究首次揭示了磁电记忆效应的强磁场特性,并提出了“成核-钉扎-去钉扎”联合机制,合理地解释了这种记忆效应的起源。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 刘永杰
导师: 王俊峰
关键词: 多铁性材料,脉冲强磁场,稀土锰氧化物,磁电特性,磁电记忆效应
来源: 华中科技大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 物理学
单位: 华中科技大学
分类号: O469
DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.005071
总页数: 136
文件大小: 8621k
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