鎂鋁尖晶石等材料物性的理論研究.pdf

1、以鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)為代表的尖晶石系列材料廣泛地分布在自然界，它們豐富的物理化學(xué)性質(zhì)在冶金、化工、建材、耐火材料等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。尖晶石系列材料還在其它新興領(lǐng)域，如電子、信息、通信、家電、航空、航天、軍事、儀器、儀表、自動(dòng)化等領(lǐng)域也表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。對(duì)鎂鋁尖晶石系列材料的理論與應(yīng)用研究已成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文運(yùn)用密度泛函(DFT)理論平面波贗勢(shì)方法(PWP)，研究了鎂鋁尖晶石等材料的物理性質(zhì)。

2、>　　 首先，模擬了鎂鋁尖晶石的高壓相變路徑，使用狀態(tài)方程和熱力學(xué)生成焓兩種方法計(jì)算了鎂鋁尖晶石三相的相變壓強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，第一種方法計(jì)算壓強(qiáng)較低的相變比較理想，當(dāng)壓強(qiáng)較高時(shí)，誤差較大；第二種方法適用性較強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果比較理想。對(duì)尖晶石相和兩個(gè)高壓相的彈性常數(shù)及體模量的壓致效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)三相彈性性質(zhì)隨壓強(qiáng)變化均符合Murnaghan線性變化規(guī)律；對(duì)尖晶石相和兩個(gè)高壓相在壓力作用下的力學(xué)穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)尖晶石相在壓強(qiáng)0～30GPa的范圍內(nèi)力學(xué)

3、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；兩個(gè)高壓相在所研究壓強(qiáng)的0～50GPa范圍內(nèi)力學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
　　 其次，利用尖晶石結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過(guò)改變晶格中氧原子位置參量，使之在理想氧原子位置參量附近發(fā)生微小變化，從而設(shè)計(jì)了三種晶格畸變模型。研究了這種微弱的晶格畸變對(duì)鐵鉻尖晶石( FeCr2O4)彈性性質(zhì)的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)晶格結(jié)構(gòu)的微小變化對(duì)彈性性質(zhì)的影響很大。晶格微變使鐵鉻尖晶石的體模量減小。隨氧原子位置參量增大，楊氏模量增大，切變模量減少；通過(guò)對(duì)三種微變結(jié)構(gòu)的

4、電子性質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)鐵鉻原子之間的電子交換作用是影響彈性性質(zhì)變化的微觀起因。
　　 再次，系統(tǒng)地研究了過(guò)渡金屬離子摻雜的鎂鋁尖晶石A位和B位替代效應(yīng)以及錳離子摻雜濃度的變化對(duì)摻雜晶體的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。給出摻雜晶體晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變的微觀起因以及晶格畸變的微觀模型；通過(guò)分析C03+離子在八面體替代中的自旋結(jié)構(gòu)構(gòu)型發(fā)現(xiàn)，CO3+離子在八面體替代的結(jié)構(gòu)中以低自旋結(jié)構(gòu)構(gòu)型存在，即無(wú)自旋結(jié)構(gòu)構(gòu)型存在，這也是鈷離子很難實(shí)現(xiàn)八面體替代的一

5、個(gè)原因；通過(guò)對(duì)摻雜晶體電子結(jié)構(gòu)的分析得出了摻雜離子與氧配體間的相互作用決定了摻雜晶體內(nèi)所發(fā)生的兩種光學(xué)躍遷過(guò)程；根據(jù)摻雜體系的電子結(jié)構(gòu)解釋了所有摻雜體系吸收帶邊全部發(fā)生紅移以及在可見(jiàn)光甚至近紅外區(qū)出現(xiàn)明顯吸收的微觀起因；以錳離子四面體摻雜為例，研究了錳離子摻雜濃度的變化對(duì)晶格常數(shù)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)吸收系數(shù)的影響。說(shuō)明了摻雜離子濃度的變化使晶格常數(shù)發(fā)生變化的微觀機(jī)制；分析了錳離子摻雜濃度的變化對(duì)摻雜晶體電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)吸收系數(shù)的影響。

6、　　 此外，系統(tǒng)地研究了具有與尖晶石高壓相CF相相同結(jié)構(gòu)的鈣鐵礦類型堿金屬錳氧化物( CaFe2O4-XMn2O4，X=Li，Na)的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。對(duì)理想鈣鐵礦結(jié)構(gòu)的LiMn2O4的電磁性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，理想鈣鐵礦結(jié)構(gòu)的LiMn2O4與實(shí)驗(yàn)獲得的相同結(jié)構(gòu)類型的缺氧型Li0.92Mn2O4性質(zhì)一致，都是力學(xué)穩(wěn)定的電荷無(wú)序分布的反鐵磁半導(dǎo)體混價(jià)化合物；預(yù)測(cè)了具有相同結(jié)構(gòu)類型的NaMn2O4是一種電荷有序、自旋有序和軌道有序的反鐵磁半導(dǎo)體混價(jià)