【摘 要】
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钙钛矿氧化物是指具有天然钙钛矿ABO3结构的氧化物,本文通过对几种非常典型的钙钛矿氧化物的第一性原理研究,阐释了钙钛矿氧化物超晶格在纳米尺度下的铁电行为及其界面磁电效
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钙钛矿氧化物是指具有天然钙钛矿ABO3结构的氧化物,本文通过对几种非常典型的钙钛矿氧化物的第一性原理研究,阐释了钙钛矿氧化物超晶格在纳米尺度下的铁电行为及其界面磁电效应。采用第一性原理方法研究了三色(组分)超晶格结构(tricolor or three-component superlattices, TCSs) SrTiO3-BaTiO3-CaTiO3(STO-BTO-CTO, SBC)在纳米尺度下的铁电性。我们发现这种结构具有非对称的铁电性,即极化向上和向下具有不同的极化强度,对应不同深度的能量势阱。理论计算分析表明,这种非对称铁电性源于三色超晶格结构中组分对称性的破缺,因而是材料的内廪性质。进一步研究显示,不同能量铁电极化的方向和超晶格几何结构的堆叠顺序相对应,即极化方向为CTO→BTO→STO时,对应能量最低态,而STO→BTO→CTO的极化方向对应能量亚稳态。这种物理性质可被用于构建铁电隧道结,而且隧道结的两个能量不同的极化方向(分别对应“0”和“1”)由材料生长时的堆叠方式决定,从而有助于明确无误地读取存储信息。为了确定是否TCS能用于隧道结,我们进一步研究了其在纳米尺度下的铁电稳定性。我们计算了加电极SrRuO3(SRO)之后的TCS隧道结构,研究表明多种非对称TCS结构都具有稳定的纳米铁电性,其中SRO/CBBS和SRO/CCBBSS的铁电性比SRO/CBSCBS要大,因而更适合用于构建铁电性隧道结。本文还研究了在压缩应变作用下的SrTiO3与过渡金属Fe的复合结构,类似于Fe/BaTiO3结构,该体系在界面处同样存在较强的磁电耦合效应,即原本没有磁性的Ti原子被诱导出磁矩,并且这与Ti、Fe和O原子的成键度相关,因而可受垂直电场调控。我们的工作为开展铁电隧道结与电控磁性相关器件的研究奠定了一定的理论基础。
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