【摘要】：電子負(fù)載的電荷、自旋與能谷自由度分別對應(yīng)著傳統(tǒng)電子學(xué)、自旋電子學(xué)以及近年來悄然興起的谷電子學(xué)。這些具有二元態(tài)的電子自由度,可為外場操縱與調(diào)控,作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?是信息產(chǎn)業(yè)的核心。就不同的電子自由度本身而言,它們各自對應(yīng)著迥異而獨特的光學(xué)效應(yīng)。多鐵體中蘊藏著兩種或兩種以上的基礎(chǔ)鐵性,是研究多重自由度間相互關(guān)聯(lián)的理想平臺,更為探索傳統(tǒng)電子學(xué)、自旋電子學(xué)、谷電子學(xué)及光學(xué)這四大凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域的交叉融合提供了可能。基于上述背景,本論文以多鐵體作為研究平臺,就電子的電荷、自旋及能谷序參量間的共存與耦合,特別是它們對體系光學(xué)性質(zhì)的影響展開了系統(tǒng)的理論研究。本論文的研究范圍涵蓋傳統(tǒng)的磁電共存多鐵體及基于能谷自由度的新型多鐵體,結(jié)合密度泛函理論框架下的第一性原理計算、模型解析及群論分析等多種手段,期望能進(jìn)一步拓寬多鐵體領(lǐng)域的研究思路,豐富其物理內(nèi)涵,推動以多鐵體為核心的新型電光、信息功能器件早日走向?qū)嶋H應(yīng)用。第一章作為本論文的緒論部分,從多鐵體的定義出發(fā),首先回眸其發(fā)展歷程,對多鐵體的分類及器件應(yīng)用予以簡要介紹;重點圍繞電子的電荷、自旋及能谷自由度,揭示了它們對應(yīng)的獨特光學(xué)現(xiàn)象,闡明了基礎(chǔ)鐵性與光學(xué)響應(yīng)的彼此關(guān)聯(lián);本論文的研究目標(biāo)及主要內(nèi)容也在本章中得以概述。本論文以密度泛函理論框架下的第一性原理計算方法為主要工具,結(jié)合自主研發(fā)的光學(xué)性質(zhì)計算程序包OPTICPACK及對稱性分析程序包IRREP開展系統(tǒng)的理論研究。第二章首先簡要介紹了密度泛函理論,回顧了計算凝聚態(tài)物理從求解多體問題到實現(xiàn)單電子近似的演化歷程,重點就OPTICPACK及IRREP的功能與特色,特別是相關(guān)的算法實現(xiàn)逐一闡述。自旋電子學(xué)的蓬勃發(fā)展帶動了凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)對于鐵磁半導(dǎo)體材料的關(guān)注,應(yīng)變工程學(xué)的突破為此類材料中鐵磁性與鐵電性的共存,即多鐵性的實現(xiàn)帶來了可能。第三章聚焦于過渡金屬氧化物EuO,這一結(jié)構(gòu)最為簡單的多鐵體。利用第一性原理計算方法,揭示了其中鐵電性的誘導(dǎo)機(jī)制,為找尋鐵電序與鐵磁序共存的多鐵體提供了理論依據(jù)。借助OPTICPACK進(jìn)行自旋分辨光學(xué)計算的優(yōu)勢,本章對多鐵體EuO中自旋相關(guān)的線性、非線性光學(xué)性質(zhì)開展了系統(tǒng)的研究,不同自旋通道下截然不同的光學(xué)響應(yīng)特性表明,結(jié)合現(xiàn)行的光譜測試手段與自旋分辨的理論研究,有望實現(xiàn)磁性乃至多鐵體系中自旋相關(guān)電子結(jié)構(gòu)的表征,為光譜技術(shù)的發(fā)展開拓了新的思路。磁序相變,相較于不同的自旋通道,會對體系的線性及非線性光學(xué)性質(zhì)造成更為顯著的影響。第四章,以最為經(jīng)典的室溫多鐵體BiFeO_3為研究對象,結(jié)合密度泛函理論計算與緊束縛近似模型解析手段,揭示了磁序改變光學(xué)響應(yīng)的內(nèi)稟物理機(jī)制:不同磁序下磁性原子間的鐵磁相互作用不同引起了能帶相位的變化。利用沿[001]方向極化的四方相BiFeO_3中,C1型和G型反鐵磁序間高達(dá)0.4 eV的光學(xué)帶隙能量差,本章提出了一種光讀電寫的信息記錄器件模型,實現(xiàn)了利用高效、快速、無損、低成本的光學(xué)測試手段,替代繁瑣且成本高昂的中子散射技術(shù),表征反鐵磁結(jié)構(gòu)的有益探索。上述兩章工作均圍繞磁電共存的傳統(tǒng)多鐵體展開。近年來谷電子學(xué)的蓬勃發(fā)展,為電子自由度的研究注入了新鮮的血液——能谷自由度。新型電子自由度的發(fā)現(xiàn)為探索新型鐵性乃至新概念多鐵體提供了可能。第五章提出了鐵谷體的概念,并明確指出自旋-軌道耦合效應(yīng)與內(nèi)稟交換作用的并存是實現(xiàn)自發(fā)谷極化的關(guān)鍵。作為鐵性家族的新成員,在過渡金屬二硫族化合物中,它與鐵磁性并存,標(biāo)志著基于谷電子學(xué)的新型多鐵體的誕生。雙帶k·p模型與第一性原理計算表明,此類新型多鐵體中存在圓偏振光旋性依賴的光學(xué)帶隙,是研究磁、光、谷彼此耦合的理想平臺。而其特有的反常谷霍爾效應(yīng)意味著可利用低能耗的電學(xué)手段實現(xiàn)谷極化的表征,以此為基礎(chǔ),有望推動谷電子學(xué)在下一代非易失性信息記錄器件中的應(yīng)用。遺憾的是,上述體系中谷的極化須依賴相對耗能的磁場手段加以翻轉(zhuǎn)。通過層間耦合的特殊設(shè)計,第六章揭示了在雙層反鐵谷體系中利用理想的電學(xué)手段對反常谷霍爾效應(yīng)進(jìn)行調(diào)控的可行性。這一電控技術(shù)的實現(xiàn)依賴于垂直電場對能谷間能級簡并度的可逆操縱。以雙層反鐵谷態(tài)VSe_2為例,結(jié)合雙帶k·p模型與第一性原理計算手段,上述設(shè)想得以驗證。本章的工作額外將電學(xué)序參量引入到了基于谷電子學(xué)的新型多鐵體中,實現(xiàn)了電荷、自旋及能谷自由度的共存及相互作用。為設(shè)計全電讀寫的信息功能器件奠定了理論基礎(chǔ),同時進(jìn)一步拓寬了多鐵體領(lǐng)域的研究范疇。第七章回顧了本篇論文的主要結(jié)論,從傳統(tǒng)多鐵體及基于谷電子學(xué)的新型多鐵體研究兩個方面,展望未來。深入理解電、磁、谷、光的共存及相互作用,將推動傳統(tǒng)電子學(xué)、自旋電子學(xué)、谷電子學(xué)與光學(xué)領(lǐng)域的交叉融合,為多鐵體研究注入新的活力、開拓新的方向。
【圖文】：

作為凝聚態(tài)物理學(xué)的熱口前沿領(lǐng)域，多鐵體的研究之所引起廣泛關(guān)注的原逡逑因在于，，其中蘊藏著多重鐵性彼此幫合、互相調(diào)控的深刻物理內(nèi)涵。特別是鐵電逡逑／壓電與磁性岕合所產(chǎn)生的磁電效應(yīng)。如圖１－１所示，介質(zhì)的磁學(xué)性質(zhì)不僅能通逡逑過常規(guī)的外加磁場手段加Ｗ改變，更低能耗、更快速度的電場也能應(yīng)用于磁化強(qiáng)逡逑度的調(diào)控之中；類似地，電極化強(qiáng)度也不再僅僅依賴于外加的電場，磁場同樣能逡逑影響多鐵體中的介電序參量。多鐵體中上述耕合效應(yīng)的存在對實現(xiàn)存儲介質(zhì)的多逡逑場調(diào)控，推動下一代電子功能器件的小型化和多功能化發(fā)展具有重要的意義。逡逑本節(jié)將簡要回顧多鐵體研究的發(fā)展歷史；從材料組成的角度，對單相多鐵體逡逑及復(fù)合多鐵體，特別是前者的研究現(xiàn)狀及其中的磁電z1合機(jī)制加＾心概述；多鐵逡逑體為基礎(chǔ)的器件應(yīng)用也將在本節(jié)中予概覽。逡逑Ｓ＋ＩＩＴ￣邐重邋＋邋｜￣￣Ｔ￣￣逡逑？二邐巧逡逑ｆＯ邋邐，邋Ｃ邐邋。邐．邐逡逑召邐在逡逑ｊ－ｌ邋Ｉ邋Ｉ邋嘉－Ｉ邋Ｉ邋Ｉ逡逑Ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｆｉｅｌｄ邐Ｓ邐Ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｆｉｅｌｄ逡逑ｆｅｉＴｏｅｌｅｃｔｋｓ邋（巧邋Ｘ邋ｆｅｒｒｏｍ巧ｎｅｔ邋（Ｍ）邋Ｉ逡逑Ｉ邋ｍｕｌｔｉｆｅｒｒｏｉｃｓ

內(nèi)最值得關(guān)注的尤大前沿?zé)狳c研巧領(lǐng)域么一口Ｗ。時至今日，新型的多鐵體和磁逡逑電z1合機(jī)制仍不斷涌現(xiàn)，多鐵體及相關(guān)的磁電效應(yīng)研究始終熱度不減，整體呈可逡逑持續(xù)增長趨勢（見圖１－２），為其未來的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了化實的理論基礎(chǔ)。逡逑１４００逡逑■邋Ｍｕｌｔｉ邋化邋ｒｒｏｉｃ逡逑１２００邐Ｉ逡逑１０００邐ＩＩＩ逡逑Ｉ．．．ＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩ逡逑２如）３邋２（＞１）４邋２００５邋三００６邋２０１１７邋２０Ｕ８邋２ｔＨ）９邋２０ＵＩ邋２０１１邋２０１２邋２１）１３邋２Ｗ４邋三ＩＨ５邋２（Ｕ６逡逑圖１－２多鐵體研究復(fù)興佸來（２００３－２０１６）該領(lǐng)域內(nèi)發(fā)表的科研論文情況。數(shù)據(jù)統(tǒng)計自Ｗｅｂ逡逑０丈５￡：}0０６口１］，從＂１１１１１１１瓜腳）心，為關(guān)鍵詞。逡逑１．１．２多鐵體的分類逡逑從材料組成的角度，多鐵體可Ｗ劃分為單相多鐵體和復(fù)合多鐵體。逡逑所謂單相多鐵體，意味著多重鐵性共存于單相化合物之中。根據(jù)鐵電性的來逡逑源機(jī)制又普遍地將其分成鐵電鐵磁異源的第一類單相多鐵體及鐵電磁序同源的逡逑第二類單相多鐵體。逡逑對于第一類單相多鐵體，體系中的多重鐵性通過不同的成分或結(jié)構(gòu)單元加Ｗ逡逑實現(xiàn)，通常具有較高的鐵電居里溫度和極化強(qiáng)度（普遍可Ｗ達(dá)到１０？１００逡逑／ｙＣ’ｃｍ－２），較高的磁性居里溫度，但本征磁電z1合普遍較弱。常見于巧鐵礦氧逡逑化物之中，例如被廣泛研究的ＢｉＦｅ0３，在一些l#化物和硫化物中也有所報道。逡逑第一類單巧多鐵體中的磁性
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O469

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1 顧剛，程光煦，都有為;C_（60）固體的光學(xué)性質(zhì)[J];物理學(xué)進(jìn)展;1995年03期

2 周建莉,楊海珉,吳杰,顧琳,和麗軍,高思安;生物膽汁液晶的光學(xué)性質(zhì)[J];昆明醫(yī)學(xué)院學(xué)報;2000年02期

3 楊海珉，吳杰，李靜儀，周建莉，和麗軍，許賢芳;人體膽汁液晶光學(xué)性質(zhì)的研究[J];生物物理學(xué)報;1995年01期

4 姚會軍;;離子徑跡模板中金納米線光學(xué)性質(zhì)研究(英文)[J];IMP & HIRFL Annual Report;2007年00期

5 王凱;丁志華;王玲;;基于光學(xué)相干層析術(shù)的組織光學(xué)性質(zhì)測量[J];光子學(xué)報;2008年03期

6 姜維海;劉行冰;林澤彬;蔡葦;符春林;;溶膠-凝膠法制備的鈦酸鋇薄膜光學(xué)性質(zhì)的影響因素概述[J];表面技術(shù);2012年06期

7 王愛坡;;圓錐曲線光學(xué)性質(zhì)的幾何證明[J];數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)與研究;2011年03期

8 呂良曉;;激光晶體的微觀缺陷與宏觀光學(xué)性質(zhì)[J];激光與紅外;1984年04期

9 張鎮(zhèn)西,馬玉蓉,方容川,揚楓,饒慧蓉,王保泰;固定對組織光學(xué)性質(zhì)的影響[J];激光生物學(xué);1993年01期

10 黃欽煊,李步洪,王秀琳,謝樹森;生物組織光學(xué)性質(zhì)與表面反射率的相關(guān)性[J];福建師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2000年04期

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1 胡曉琳;莊乃鋒;章永凡;陳德賢;陳建中;李俊{

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