ABX3型金屬化合物的磁性調(diào)制和光伏效應(yīng)第一性原理研究.pdf

1、由于在A、B和X位可容納不同種類和不同數(shù)量的元素，因此，具有化學(xué)通式ABX3的金屬化合物十分龐雜。本論文的研究對象主要是過渡金屬氧化物和具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)雜化化合物。這兩個(gè)體系都表現(xiàn)出非常豐富的物理和化學(xué)性質(zhì)，有著廣泛的應(yīng)用前景，一直是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)。
　　從基礎(chǔ)研究的角度來看:過渡金屬氧化物通常包含不滿殼層的d軌道電子，此時(shí)電子間關(guān)聯(lián)作用不可忽視，屬于典型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料。該體系中存在多重自由度（電子、軌道

2、、自旋和晶格）的相互耦合和競爭關(guān)系，從而使過渡金屬氧化物會表現(xiàn)出很多奇特的物性，如鐵電性、復(fù)雜磁性、軌道有序、螺旋磁序多鐵性等等，這些現(xiàn)象都涉及強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)、磁電耦合等一系列凝聚態(tài)物理學(xué)基本問題。除此之外，額外維度的引入，比如應(yīng)力、表面、摻雜等，可以調(diào)控過渡金屬氧化物的物性。因此，過渡金屬氧化物是近年來研究者一直關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。對于金屬有機(jī)雜化化合物，它可以同時(shí)具備有機(jī)化合物和無機(jī)化合物的優(yōu)勢。一般來說，有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)豐富，發(fā)光特性強(qiáng);

3、無機(jī)化合物具有很好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，蘊(yùn)含豐富的磁性、介電性以及可調(diào)控的能帶結(jié)構(gòu)，因此，有機(jī)無機(jī)雜化化合物可以結(jié)合兩種化合物各自的優(yōu)勢表現(xiàn)出超過單純有機(jī)或無機(jī)化合物的獨(dú)特性質(zhì)。
　　從應(yīng)用材料研究的角度來看:過渡金屬氧化物材料在存儲器、傳感器及探測器等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。基于金屬有機(jī)雜化化合物的鈣鈦礦型太陽能電池最近幾年掀起了光伏領(lǐng)域的研究熱潮，獲得了研究者的廣泛關(guān)注。相比傳統(tǒng)半導(dǎo)體太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池不僅光伏性能優(yōu)異，而

4、且成本低、制作工藝簡單，有著巨大的商業(yè)應(yīng)用潛力。
　　雖然在近十年對上述兩個(gè)體系的研究取得了豐碩的成果，但由于體系的復(fù)雜性，仍有很多問題值得我們?nèi)ヌ剿骱脱芯?。本論文基于密度泛函理論的第一性原理方法，分別對過渡金屬氧化物在外延應(yīng)力下的磁性調(diào)控、鐵電過渡金屬氧化物的光伏效應(yīng)和金屬有機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池的表面性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)研究。整個(gè)論文的結(jié)構(gòu)如下:
　　第一章介紹了研究背景。首先概述了ABX3型金屬化合物的晶體結(jié)構(gòu)特征，然后重點(diǎn)

5、概括和介紹了目前ABX3型金屬化合物的磁性調(diào)控和光伏效應(yīng)的研究現(xiàn)狀，最后提出了本論文的研究動機(jī)。
　　第二章對本論文中所涉及到的理論基礎(chǔ)作了介紹。首先介紹了材料的磁性，以及太陽能電池基礎(chǔ)、固體光吸收等與光伏性能相關(guān)的理論基礎(chǔ)。然后簡單介紹了本論文中采用的基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算的理論，包括第一性原理方法中的近似、密度泛函理論的發(fā)展及相關(guān)理論。
　　第三章研究了3d過渡金屬氧化物在外延應(yīng)力下的結(jié)構(gòu)和磁性的變化。選擇了稀

6、土鈦酸鹽RTiO3作為研究對象，利用不同晶格失配度的襯底來調(diào)控薄膜受到的外延應(yīng)力，進(jìn)而來分析不同外延應(yīng)力作用下薄膜的結(jié)構(gòu)和磁性變化。我們的研究預(yù)言了一種在稀土鈦酸鹽RTiO3體系中從未出現(xiàn)過的全新磁基態(tài)。
　　第四章探索了鐵電過渡金屬氧化物六方相錳氧化物的光伏性質(zhì)。以六方相TbMnO3為代表，利用第一性原理方法研究了其光學(xué)和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并且預(yù)測了光電轉(zhuǎn)化效率。研究結(jié)果表明六方相錳氧化物是一類有潛力達(dá)到較高光電轉(zhuǎn)化效率的鐵電光伏材