近年來(lái),具有化學(xué)通式為ABO_3的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物因其具有的鐵電性、壓電性、磁性、多鐵性、巨磁阻效應(yīng)、光電特性等諸多特性,在磁存儲(chǔ)器、探測(cè)器、傳感器、太陽(yáng)能電池及多功能材料等方面具有廣泛的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物中多鐵性是多年來(lái)的研究熱點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)鐵電性與磁性的相互耦合,達(dá)到電控磁、磁控電以及電磁互控的目的。此外,由于所處生長(zhǎng)環(huán)境,如溫度、壓強(qiáng)等,以及制備方法的不同,鈣鈦礦材料顯示出不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),這些不同的結(jié)構(gòu)之間往往擁有不同的物理和化學(xué)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(duì)鈣鈦礦氧化物材料的多鐵性和隨溫度發(fā)生的結(jié)構(gòu)相變進(jìn)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(jié)構(gòu)信息;其次對(duì)固體材料中的磁性、非本征鐵電及多鐵性作了簡(jiǎn)單陳述;隨后簡(jiǎn)要介紹了與固體結(jié)構(gòu)相變有關(guān)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(duì)象和研究?jī)?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(jié)構(gòu)。我們專注于沿(001)方向的反相疇壁處的磁對(duì)稱性破壞,本工作中我們采用的是最簡(jiǎn)單的(共線)近似去處理磁性,沒(méi)有考慮任何的相對(duì)論(自旋-軌道耦合)效應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn)位于疇內(nèi)的FeO_2層的層數(shù)決定了整個(gè)系統(tǒng)的電學(xué)性質(zhì),即:具有奇數(shù)FeO_2層的多疇結(jié)構(gòu)為順電結(jié)構(gòu),而具有偶數(shù)層FeO_2的多疇結(jié)構(gòu)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(jī)制,它驅(qū)動(dòng)位于磁疇壁處的氧離子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了極性位移。此外對(duì)一些具有類SmFeO_3正交結(jié)構(gòu)的體系進(jìn)行的計(jì)算表明,此效應(yīng)在具有這種正交結(jié)構(gòu)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)相變,而擁有最復(fù)雜鈣鈦礦的稱號(hào)。本工作中,我們?yōu)镹aNbO_3體系開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(jié)合直接的從頭算技術(shù),我們研究了這個(gè)最復(fù)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(gè)不同的相。將該有效哈密頓量的總能量進(jìn)行分解成不同的能量項(xiàng),將這些能量項(xiàng)和與各能量項(xiàng)相關(guān)的參數(shù)數(shù)值結(jié)合在一起,同樣也能使我們對(duì)這種化合物的令人費(fèi)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(zhuǎn)而在中間溫度下采用的是復(fù)雜的納米線結(jié)構(gòu)。此外,我們的計(jì)算的結(jié)果號(hào)召大家去重新考慮NaNbO_3所謂的P、R和S態(tài)。因?yàn)閷?duì)于P態(tài),我們的數(shù)值模擬意外的發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非均勻的電極化,而這個(gè)非均勻電極化在先前工作中是被忽略了的;對(duì)于具有爭(zhēng)議的R和S態(tài),我們預(yù)測(cè)到了與其復(fù)雜旋轉(zhuǎn)相關(guān)的多個(gè)k點(diǎn)的同時(shí)凝聚。第五章,對(duì)本論文的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行總結(jié),對(duì)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(duì)NaNbO_3體系及其他體系的研究前景進(jìn)行了展望。
【學(xué)位單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB34

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本文編號(hào)：2812412