摻雜對尖晶石型鈷鐵氧體和鋅鐵氧體性能影響的第一性原理研究

發(fā)布時間：2017-10-04 04:19

本文關鍵詞：摻雜對尖晶石型鈷鐵氧體和鋅鐵氧體性能影響的第一性原理研究

【摘要】：尖晶石型鐵氧體作為一類重要磁性材料,其特殊的光學、電子和磁特性,使得其被廣泛應用于電子器件、信息存儲系統(tǒng)、磁性器件、通訊設備和微波裝置等方面。因此本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算和廣義梯度近似(GGA)+U的方法,系統(tǒng)研究了摻雜對尖晶石型鈷鐵氧體和鋅鐵氧體的晶體結構、電子結構與磁性能的影響及其相關物理機制。本文研究了尖晶石型鈷鐵氧體(CoFe_2O_4)材料的結構穩(wěn)定性、磁性能和電子結構。結果表明:Co離子傾向于占據(jù)八面體位置,即反尖晶石CoFe_2O_4的結構最穩(wěn)定。分析總態(tài)密度分布可知,反尖晶石結構和正尖晶石結構都呈絕緣性,且反尖晶石結構的帶隙比正尖晶石結構帶隙寬。計算的磁矩結果表明Co和Fe離子都呈高自旋態(tài)且正尖晶石結構的總磁矩大于反尖晶石的總磁矩。Ni離子摻雜鈷鐵氧體結果表明Ni離子傾向于取代八面體位置的Co離子且隨著Ni摻雜量的增加,晶格常數(shù)呈遞減趨勢。從態(tài)密度圖分析表明,帶隙隨著Ni摻雜量的變化而變化,且大部分都呈絕緣體。磁性能依賴于Ni的摻雜量,隨著Ni摻雜量的增加,晶格中的原子磁矩變化不明顯,但總磁矩呈線性遞減趨勢,主要因為Ni離子最外層的3d未配對電子數(shù)小于Co離子最外層3d未配對電子數(shù)。Mn離子摻雜對鈷鐵氧體的結構穩(wěn)定性、磁性能和電子結構影響結果表明當Mn離子摻雜量小于37.5%時,Mn離子占據(jù)八面體位置結構最穩(wěn)定且顯+3價,然而當Mn離子摻雜量大于37.5%時,有部分Mn離子占據(jù)四面體位置且顯+2價,即Mn~(2+)離子傾向占據(jù)四面體亞晶格中,而Mn~(3+)離子傾向于占據(jù)八面體亞晶格中。由于Mn離子的半徑大于Co離子的半徑,導致體系晶格常數(shù)隨著Mn摻雜濃度的增加而增加。從態(tài)密度圖可知,體系帶隙隨Mn離子的摻雜而減小。Mn摻雜對磁性能的影響結果表明,當摻雜量大于37.5%時,隨著Mn摻雜量的增加,體系總磁矩呈增加趨勢。尖晶石型鋅鐵氧體(ZnFe_2O_4)活性較高,廣泛應用于處理染料廢水方面。本文通過摻雜向能帶中引入雜質(zhì)能級,來調(diào)節(jié)能帶結構,以提高鋅鐵氧體對光吸收的能力,在一定程度上提高其光催化效率。結果表明正尖晶石結構的ZnFe_2O_4最穩(wěn)定,其帶隙為1.92 eV。二價不同元素摻雜對ZnFe_2O_4的磁性能和帶隙都有不同程度的影響。由于Be~(2+)、Mg~(2+)、Ca~(2+)、Sr~(2+)和Ba~(2+)沒有未配對的電子,它們對體系的磁性貢獻很小。而Cr~(2+)、Mn~(2+)、Co~(2+)、Ni~(2+)、Cu~(2+)的具有未配對的3d軌道電子,導致總磁矩有不同程度的變化。摻雜三價不同元素導致ZnFe_2O_4禁帶寬度有明顯的變化,同時三價元素摻雜使得體系的總磁矩減小。
【關鍵詞】：第一性原理計算 鈷鐵氧體 鋅鐵氧體 摻雜 態(tài)密度 磁矩
【學位授予單位】：南昌航空大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM277
【目錄】：