本文選題：第一性原理 + 摻雜鐵酸鉍�。� 參考：《南京郵電大學(xué)》2016年碩士論文

【摘要】：塊狀BiFeO_3(BFO)是ABO3扭曲鈣鈦礦結(jié)構(gòu),空間群是161_R3c相。鐵酸鉍在同一相中同時(shí)具有鐵電性、鐵彈性和鐵磁性。多鐵材料鐵酸鉍鐵電轉(zhuǎn)變溫度TC=1103 K,G型反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度TN=643 K。對(duì)于鐵酸鉍來說,其內(nèi)部的極化序和磁性相互耦合,會(huì)產(chǎn)生磁電耦合效應(yīng)。鐵酸鉍的這些優(yōu)點(diǎn)使其在智能設(shè)備、磁電傳感器、自旋電子設(shè)備、存儲(chǔ)器的材料制備上有巨大的應(yīng)用前景。但是,鐵酸鉍結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性、較弱的磁性以及較高的漏電流,這些缺點(diǎn)會(huì)阻礙鐵酸鉍磁電耦合效應(yīng)的強(qiáng)度。A位陽離子一般情況貢獻(xiàn)極性,B位陽離子一般情況貢獻(xiàn)磁性,我們可以在A、B位替代摻雜合適的元素來改善鐵酸鉍的性能。本文的研究內(nèi)容是用基于第一性原理的理論計(jì)算通過A、B位替代摻雜鐵酸鉍性能的改變。我們建立系列體系,研究體系的結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和磁性。研究的主要結(jié)果如下:(1)采用基于GGA+U的密度泛函理論的第一性原理計(jì)算分析純鐵酸鉍和堿土金屬Ca摻雜BiFeO_3在結(jié)構(gòu)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)方面的性質(zhì),研究表明表明Ca替代BiFeO_3中Bi的位置,晶胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從單相的斜六面體R3c變?yōu)閮上喙泊娼Y(jié)構(gòu)(菱形R3c相和非極化立方FM-3M相)。同純鐵酸鉍相比較,Bi位用Ca原子來替代會(huì)減小晶胞的尺寸,Fe-O-Fe鍵之間的角度減小,Fe-O鍵之間的長度增加。純鐵酸鉍的帶隙為2.60 eV,摻雜會(huì)帶來費(fèi)米能級(jí)的降低,從帶隙可以看出Ca摻雜的BiFeO_3具有典型的半金屬性質(zhì),自旋向上的態(tài)密度有一個(gè)較大的帶隙1.92 eV,自旋向下的態(tài)密度帶隙為零。由于價(jià)帶處Ca引起態(tài)密度的增加吸收峰向較低的能量處藍(lán)移。從光學(xué)性質(zhì)可以分析電子結(jié)構(gòu)的內(nèi)在機(jī)理,研究各軌道電子間的相互作用,Ca摻雜后光學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化。BFO的靜態(tài)介電泛函?1(0)為7.6,BFCO的靜態(tài)介電泛函?1(0)為16.1。此外,Ca摻雜增強(qiáng)了鐵酸鉍的鐵磁性,主要原因是尺寸效應(yīng)和Fe-O-Fe鍵角的改變導(dǎo)致自旋的傾斜。(2)用第一性原理討論稀土元素La,Gd,Er,Lu(按照每單胞0.2的量摻雜)和過渡金屬Co共摻BiFeO_3的性質(zhì)。從計(jì)算所得的態(tài)密度結(jié)果表明,稀土元素Er、La、Gd、Lu的4f和4d態(tài)與O2-離子的2p態(tài),Bi+離子的6p態(tài),Fe3+離子和Co3+離子的3d態(tài)之間存在雜化。La摻雜BiFe0.9Co0.1O3(BFCO)引起帶隙能量降低到1.71 eV,Er摻雜使帶隙能量降低到0.80eV,使體系變?yōu)榘虢饘偬匦?Gd和Lu摻雜增強(qiáng)體系的金屬性,BLuFCO和BGdFCO的態(tài)密度圖和能帶圖說明Lu和Gd元素?fù)诫s使體系從半導(dǎo)體狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)體狀態(tài)。BEFCO,BLaFCO,BGdFCO和BLuFCO的整體磁矩分別為4.901,4.896,9.268和4.816B。Bi0.8La0.2Fe0.9Co0.1O3、Bi0.8Gd0.2Fe0.9Co0.1O3、Bi0.8Er0.2Fe0.9Co0.1O3、Bi0.8Lu0.2Fe0.9Co0.1O3的靜態(tài)介電常數(shù)1(0)分別為7.1,7.4,9.2和10.5。此外摻雜明顯增強(qiáng)反射率和折射率,稀土(尤其是Lu(4f14)和Gd(4f7))元素的4f電子對(duì)介電函數(shù)?()有非常明顯的影響,光學(xué)躍遷主要來源于O-2p態(tài)價(jià)帶到Fe-3d態(tài)或者Lu/Gd的4f導(dǎo)帶的電子轉(zhuǎn)移。以上結(jié)論表明BLuFCO和BGdFCO體系在制備光伏設(shè)備上具有很大的應(yīng)用前景。
[Abstract]:BiFeO _ 3 ( BFO ) is an ABO3 - twisted perovskite structure , and the space group is 161 _ R3c phase . In the same phase , bismuth ferrite has ferroelectricity , iron elasticity and ferromagnetism . ( 2 ) The properties of rare earth elements La , Gd , Er and Lu ( according to the amount of 0.2 % per unit cell ) and the transition metal Co co - doped BiFeO _ 3 were discussed by the first principle . The results show that the total magnetic moments of the rare earth elements Er , La , Gd and Lu and the 3 d states of the transition metal Co are respectively 4.901 , 4.896 , 9.268 and 4.816B . Bi0.8Sr0 . 9Co0 . 1O3 , Bi0.8Gd0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi0.8Gd0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi0.8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi0.8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi0.8Er 0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi 0 . 8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi 0 . 8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi 0 . 8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi0.8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi 0 . 8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi0.8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi 0 . 8Er0 . 9Co0 . 1O3 .
【學(xué)位授予單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB34

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本文編號(hào)：1982504