本文關(guān)鍵詞：鈣鈦礦型鐵電及磁性材料壓力效應(yīng)的第一性原理計(jì)算，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在現(xiàn)代材料學(xué)領(lǐng)域,外場條件(壓力、電場及磁場等)對材料結(jié)構(gòu)相變的驅(qū)動及其伴隨的性能效應(yīng),已逐漸成為發(fā)現(xiàn)新材料、調(diào)控材料性能的有效途徑之一。鈣鈦礦型鐵電和磁性材料在高壓條件下具有豐富的結(jié)構(gòu)相變,論文在對相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述分析的基礎(chǔ)上,圍繞G型反鐵磁體SmFeO_3和無鉛鐵電/壓電材料BiAlO_3的高壓性質(zhì)開展了第一性原理解析計(jì)算。本文關(guān)注靜水壓對鈣鈦礦體系的磁性、鐵電性和其他性質(zhì)的調(diào)控,通過理論計(jì)算,獲得以下主要結(jié)論:鐵氧體SmFeO_3在常壓時(shí)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為正交Pbnm,為G型反鐵磁體結(jié)構(gòu),Fe~(3+)為高自旋態(tài)。當(dāng)?shù)陀谂R界值(~68GPa)的靜水壓強(qiáng)施加給SmFeO_3時(shí),晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)(晶格常數(shù),晶胞體積,Fe-O鍵長及反鐵電位移)隨壓強(qiáng)的增加而線性減小;Fe~(3+)離子仍為高自旋態(tài)并保持磁矩G型主分量為~4μB不變,Γ2和Γ4型兩種磁結(jié)構(gòu)的弱鐵磁磁矩分量基本呈線性增加;此時(shí),SmFeO_3為絕緣體,并且?guī)吨惦S壓強(qiáng)的增加而線性減小。當(dāng)壓力增加至臨界值(~68GPa)時(shí),SmFeO_3發(fā)生自旋交叉相變,通過聲子譜分析確定該相變屬同構(gòu)相變(即相變過程中晶體的空間群保持不變),晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)、磁學(xué)性質(zhì)及電學(xué)性質(zhì)在相變點(diǎn)均產(chǎn)生突變,Fe離子由高自旋態(tài)突變?yōu)榈妥孕龖B(tài),磁矩G型主分量變?yōu)閪1μB,帶隙值由2e V突變?yōu)閪1.6e V,即發(fā)生了絕緣體—半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變。此后,低自旋態(tài)的SmFeO_3隨著壓強(qiáng)的繼續(xù)增加,其上述三種性質(zhì)的靜水壓效應(yīng)與高自旋態(tài)類似。另外,作為強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系,第一性原理計(jì)算中的Hubbard U參數(shù)的選取對材料的高壓效應(yīng)產(chǎn)生一定的影響,對不同U取值(U=2.0,3.0,4.0 e V)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)及Fe~(3+)離子磁矩分量對U值變化不敏感,而自旋交叉相變壓強(qiáng)及帶隙值則隨U值的增加而線性增大。針對新型鐵電材料BiAlO_3(R3c空間群),分別進(jìn)行正壓、負(fù)壓兩種加載方式的理論研究。壓力作用下結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)對比分析如下:(1)晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)正壓力作用時(shí)晶軸壓縮,晶胞體積縮小,負(fù)壓力時(shí)變化則相反。并且壓力作用下c軸更容易發(fā)生形變。(2)電學(xué)性質(zhì)正壓力時(shí)帶隙隨壓力增加線性減小,而負(fù)壓力作用下呈現(xiàn)非單調(diào)變化。(3)彈性性質(zhì)C11、C33明顯高于其他彈性常數(shù),說明三方晶系的BiAlO_3具有明顯的彈性各向異性。通過分析泊松比的正負(fù)靜水壓效應(yīng),發(fā)現(xiàn)負(fù)靜水壓作用對材料各向異性影響更大。在-8~9GPa區(qū)間,BiAlO_3一直表現(xiàn)為脆性,并且正壓力有利于提高材料的塑性性能,而壓應(yīng)力下材料的變形能力差。(4)鐵電性質(zhì)通過各原子的玻爾有效電荷分析得出結(jié)論BiAlO_3的鐵電畸變由Bi~(3+)中的孤對電子引起,正壓力時(shí),隨壓力增加自發(fā)極化強(qiáng)度減小,說明壓應(yīng)力對BiAlO_3的鐵電性有抑制作用而壓電系數(shù)d11、d33則增加;負(fù)壓力時(shí),隨壓力增加自發(fā)極化強(qiáng)度和壓電系數(shù)的變化趨勢則與正壓時(shí)相反,變化速度更快,并且在~-8GPa時(shí),兩壓電系數(shù)趨于相等。
【關(guān)鍵詞】：鐵電材料 磁性材料 第一性原理計(jì)算 壓力效應(yīng) 自旋交叉 自發(fā)極化
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM27
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 鐵電、磁性材料研究現(xiàn)狀12-19
• 1.2.1 磁性材料高壓研究進(jìn)展12-16
• 1.2.2 鐵電材料高壓研究進(jìn)展16-19
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容19-21
• 第2章 理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法21-33
• 2.1 第一性原理計(jì)算理論框架及基本概念21-27
• 2.1.1 Hartree-Fock方法21-23
• 2.1.2 密度泛函理論（DFT）方法23-27
• 2.1.3 密度泛函擾動理論27
• 2.2 自發(fā)極化計(jì)算的理論方法27-31
• 2.2.1 極化強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)27-29
• 2.2.2 現(xiàn)代極化理論29-31
• 2.3 自旋交叉現(xiàn)象31-32
• 2.4 計(jì)算軟件的介紹32
• 2.5 本章小結(jié)32-33
• 第3章 磁性材料SmFeO_3的第一性原理計(jì)算33-51
• 3.1 計(jì)算參數(shù)與模型33-35
• 3.1.1 模型的建立33-34
• 3.1.2 計(jì)算方法34-35
• 3.2 SmFeO_3的晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的靜水壓效應(yīng)35-49
• 3.2.1 SmFeO_3的晶體結(jié)構(gòu)35-42
• 3.2.2 SmFeO_3的磁學(xué)性質(zhì)變化42-43
• 3.2.3 SmFeO_3電子結(jié)構(gòu)變化43-49
• 3.3 本章小結(jié)49-51
• 第4章 鐵電材料BiAl O_3的第一性原理計(jì)算51-69
• 4.1 計(jì)算參數(shù)與模型51-52
• 4.1.1 模型的建立51-52
• 4.1.2 計(jì)算方法52
• 4.2 BiAlO_3的結(jié)構(gòu)、力學(xué)及鐵電性質(zhì)的壓力效應(yīng)52-66
• 4.2.1 晶體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果與分析53-54
• 4.2.2 BiAlO_3的態(tài)密度54-59
• 4.2.3 BiAlO_3的力學(xué)性能59-63
• 4.2.4 BiAlO_3的波恩有效電荷與鐵電/壓電性質(zhì)63-66
• 4.3 本章小結(jié)66-69
• 第5章 全文總結(jié)與展望69-71
• 5.1 全文總結(jié)69-70
• 5.2 展望70-71
• 參考文獻(xiàn)71-79
• 作者簡介及攻讀學(xué)位期間的主要研究成果79-81
• 一、作者簡介79
• 二、主要研究成果79-81
• 1、發(fā)表學(xué)術(shù)論文79
• 2、授權(quán)發(fā)明專利79-80
• 3、授權(quán)實(shí)用新型專利80-81
• 致謝81

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