近年來,具有化學通式為ABO_3的鈣鈦礦結構氧化物因其具有的鐵電性、壓電性、磁性、多鐵性、巨磁阻效應、光電特性等諸多特性,在磁存儲器、探測器、傳感器、太陽能電池及多功能材料等方面具有廣泛的應用前景而備受關注。鈣鈦礦結構氧化物中多鐵性是多年來的研究熱點,以實現(xiàn)鐵電性與磁性的相互耦合,達到電控磁、磁控電以及電磁互控的目的。此外,由于所處生長環(huán)境,如溫度、壓強等,以及制備方法的不同,鈣鈦礦材料顯示出不同的結構特點,這些不同的結構之間往往擁有不同的物理和化學性質(zhì)。本論文采用第一性原理以及基于第一性原理的有效哈密頓量方法,對鈣鈦礦氧化物材料的多鐵性和隨溫度發(fā)生的結構相變進行了比較系統(tǒng)的研究。本論文共分為五章,主要內(nèi)容如下:第一章,緒論部分,首先介紹了分子式為ABO_3的鈣鈦礦材料結構信息;其次對固體材料中的磁性、非本征鐵電及多鐵性作了簡單陳述;隨后簡要介紹了與固體結構相變有關的朗道相變理論和軟模的概念;最后闡述了本論文主要的研究目的、研究意義、研究對象和研究內(nèi)容。第二章,闡述了本論文采用的理論背景和研究方法,主要為密度泛函理論和基于第一性原理的有效哈密頓量方法。第三章,采用基于密度泛函理論的第一性原理研究方法,研究了SmFeO_3稀土正鐵氧體化合物中的磁性多疇結構。我們專注于沿(001)方向的反相疇壁處的磁對稱性破壞,本工作中我們采用的是最簡單的(共線)近似去處理磁性,沒有考慮任何的相對論(自旋-軌道耦合)效應。我們發(fā)現(xiàn)位于疇內(nèi)的FeO_2層的層數(shù)決定了整個系統(tǒng)的電學性質(zhì),即:具有奇數(shù)FeO_2層的多疇結構為順電結構,而具有偶數(shù)層FeO_2的多疇結構具有沿b軸方向的電極化,并且由此將產(chǎn)生具有多鐵性的8)(82基態(tài)。我們的從頭算數(shù)據(jù)和由自旋序引起鐵電性的模型揭示了這種極化為非本征極化,該非本征極化源于交換伸縮機制,它驅(qū)動位于磁疇壁處的氧離子運動產(chǎn)生了極性位移。此外對一些具有類SmFeO_3正交結構的體系進行的計算表明,此效應在具有這種正交結構的磁性鈣鈦礦材料中能普遍存在。第四章,鈣鈦礦氧化物NaNbO_3因其隨溫度變化有非常復雜的結構相變,而擁有最復雜鈣鈦礦的稱號。本工作中,我們?yōu)镹aNbO_3體系開發(fā)了一個基于第一性原理的有效哈密頓量,使用該有效哈密頓量以及結合直接的從頭算技術,我們研究了這個最復雜鈣鈦礦系統(tǒng)的有限溫度特性。我們的模擬成功地再現(xiàn)了其隨溫度變化相圖中存在的七個不同的相。將該有效哈密頓量的總能量進行分解成不同的能量項,將這些能量項和與各能量項相關的參數(shù)數(shù)值結合在一起,同樣也能使我們對這種化合物的令人費解的特征有所了解。例如能揭示3(8是其基態(tài)的微觀原因,以及為什么在高溫下它僅采用同相旋轉而在中間溫度下采用的是復雜的納米線結構。此外,我們的計算的結果號召大家去重新考慮NaNbO_3所謂的P、R和S態(tài)。因為對于P態(tài),我們的數(shù)值模擬意外的發(fā)現(xiàn)了一個非均勻的電極化,而這個非均勻電極化在先前工作中是被忽略了的;對于具有爭議的R和S態(tài),我們預測到了與其復雜旋轉相關的多個k點的同時凝聚。第五章,對本論文的研究內(nèi)容進行總結,對非本征鐵電的產(chǎn)生、多鐵特性的發(fā)現(xiàn)及使用基于第一性原理的有效哈密頓量對NaNbO_3體系及其他體系的研究前景進行了展望。
【學位單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB34

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本文編號：2812412