高壓下光伏及多鐵儲能材料的第一性原理研究.pdf

1、壓力對物質的合成和性質有著巨大影響。高壓將使材料的原子間距縮短，改變原子的化學價態(tài)，使原子間發(fā)生電荷轉移，使晶體結構發(fā)生變化，從而引發(fā)一些特殊的化學反應。因此，高壓物理是合成和發(fā)現新材料的重要手段。本論文以高壓物理為支點，主要包括兩個部分。第一部分為高壓下的光伏材料方面的研究工作，介紹光伏材料的基本性質和研究分析的方法，并利用第一性原理對 I-III-VI族化合物中的 AgInS2進行高壓下的理論研究，對于尋找和設計新型光伏半導體材料有

2、著重要的意義。第二部分我們立足于多鐵磁電材料的基本理論和應用，并結合目前國內外研究的最新進展，用第一性原理方法研究了高氧壓和高壓下的多鐵材料 DyNiO3的性質并分析研究了其磁電耦合效應的微觀物理機制。為設計這種新型的信息存儲材料奠定了理論基礎。本論文的具體內容如下：
　　首先我們針對目前光伏材料的研究熱點I-III-VI族化合物中的AgInS2材料，基于第一性原理利用 CALYPSO材料結構預測方法進行了高壓下的新相結構預測。先

3、前的實驗研究發(fā)現，CuInS2在高壓9.5GPa左右將轉變?yōu)榱⒎较嘟Y構，并伴隨著一些其他性質的改變。然而，對于這種I-III-VI化合物高壓下的晶體結構和電子結構性質等理論研究卻罕有報道。我們通過理論模擬發(fā)現，AgInS2的在12.5GPa的壓力下結構將從四方相（對稱性為I-42d）轉變?yōu)榱⒎较啵▽ΨQ性為Fd-3m），與實驗得出的結論吻合，但是相變壓力要大于CuInS2的相變壓力9.5GPa。為了得到體系更加精確的帶隙值，我們采用了雜化

4、泛函HSE06方法，計算所得到AgInS2的立方相帶隙為1.2eV左右，較之它的四方相的帶隙（2.0eV左右），更為接近理想帶隙（1.4eV）。在計算得到聲子譜中我們發(fā)現布里淵區(qū)中沒有虛頻的存在，說明該結構滿足動力學穩(wěn)定性。同時我們通過計算體系的電子局域函數和電荷密度分析了這種化合物的原子間成鍵形式。并對常壓與高壓下不同結構的光學性質進行了計算比較。
　　基于對新材料的設計角度，我們利用密度泛函理論，以高氧壓合成的鈣鈦礦型DyNi

5、O3為研究對象，分析了GGA+U方法中，U值對該體系性質的影響。系統(tǒng)的研究了該化合物的電子結構、化學鍵、磁性、鐵電性，并分析了其鐵電性的來源。我們得到的結果顯示，考慮了自旋極化和反鐵磁磁結構后高氧壓下DyNiO3體系的對稱性由P21/n轉變?yōu)榱薖21。計算得出的電子結構性質顯示出體系的帶隙為0.715eV，為間接帶隙化合物。體系中的Ni原子發(fā)生了電荷歧化，Ni1原子和Ni2原子的磁矩分別為1.703μB和0.710μB。從體系態(tài)密度圖的

6、分析中還發(fā)現Ni-3d和O-2p態(tài)發(fā)生了耦合?；诘谝恍栽恚覀冞€計算了體系的波恩有效電荷和電子局域函數，確定了 Ni-O鍵為離子鍵。并得到了體系的自發(fā)電極化值為6.78μC/cm2，沿著晶格b軸的方向，并指出體系中格點和鍵中心的電荷有序導致了DyNiO3中鐵電性的形成。
　　最后我們基于第一性原理方法研究了高壓下的 DyNiO3的晶體結構、電子結構、磁性和鐵電性質。結果表明，在高壓下DyNiO3的晶體結構發(fā)生了改變，晶格常數和

7、體積隨著壓力從0GPa到10GPa的增加而減小。在10GPa的壓力下，DyNiO3的晶體對稱性由P21轉變?yōu)镻21/n，并且?guī)队筛哐鯄合碌?.715eV變?yōu)?.25eV，為間接帶隙化合物。通過對體系態(tài)密度的研究，我們還發(fā)現在高壓下，Ni1原子位的磁矩不變，而Ni2原子位的磁距在0-10GPa下隨著壓力的增大而減小，導致了體系磁結構變化。在壓力大于6GPa時，Ni2原子位的磁矩消失。這種體系的晶體結構磁結構的變化，消除了體系中的鍵中心的