幾種多鐵性材料結構與性質(zhì)的第一性原理計算.pdf

1、多鐵性材料是指同時具有兩種或兩種以上鐵性的功能材料。這種材料不但具有母相的特性,更重要的是電性和磁性相互作用會產(chǎn)生附加功能,因此這種材料在許多高技術領域備受關注。雖然多鐵性材料的理論研究和制備技術已經(jīng)取得了重大突破,但在實際應用中還面臨諸多挑戰(zhàn)。本論文就是針對多鐵性材料的研究現(xiàn)狀進行一些有益的探索和嘗試。
　　本文使用Accelrys公司的Material Studio軟件中的castep模塊,采用基于密度泛函理論(DFT)的第一

2、性原理方法來計算體系的電子結構和基本性質(zhì),計算過程中采用考慮自旋極化的廣義梯度近似和平面波超軟贗勢法。主要研究內(nèi)容和結論如下:
　　一、沿用傳統(tǒng)的磁性元素摻雜鐵電體獲取多鐵性材料的思路,選用磁性較強的過渡金屬元素Mn摻雜鐵電性較強的四方相BaTiO3。主要計算純BaTiO3和Mn摻雜濃度為12.5％、25%和50%的四種體系,通過對電子結構和性質(zhì)的對比發(fā)現(xiàn):磁性元素Mn的摻入會使體系具備磁性,且Mn含量越高,體系磁性越強;摻雜體系

3、仍然保持四方相BaTiO3原有鐵電性。但研究還發(fā)現(xiàn),摻雜體系的穩(wěn)定性差,鐵磁性弱,這便減少了它的實際應用價值,也對我們轉換研究思路起到了推動作用。
　　二、為了得到穩(wěn)定性強、且性能優(yōu)越的多鐵性材料,以基態(tài)下的單相雙鈣鈦礦Bi2NiMnO6為主要研究對象,對其優(yōu)化前后的鐵磁態(tài)和亞鐵磁態(tài)進行了比較系統(tǒng)地對比研究。分析可知:基態(tài)下的Bi2NiMnO6優(yōu)先以鐵磁半導體方式存在;磁性來源于Ni2+-O-Mn4+的鐵磁超交換作用,且Ni-Mn

4、鍵長與材料的磁性強弱密切相關;Bi-6p電子軌道與O-2p電子軌道之間的雜化作用是Bi2NiMnO6發(fā)生鐵電畸變的根源。
　　三、針對多鐵性材料體系中鐵電序-鐵磁序穩(wěn)定共存和耦合增強這一重要科學問題,選用具有磁性的Co2+和Cu2+對雙鈣鈦礦Bi2NiMnO6進行摻雜改性。通過對摻雜前后體系磁性的研究發(fā)現(xiàn):Co摻雜Bi2NiMnO6的性能優(yōu)于Cu摻雜體系,不但有較強的穩(wěn)定性,并且鐵磁性有顯著提高。研究結果表明,進一步優(yōu)化的Bi2N