本文關(guān)鍵詞：鎳錳基NTC熱敏陶瓷和鐵基鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與導(dǎo)電機(jī)理研究

  更多相關(guān)文章： 密度泛函理論 二維相關(guān)分析技術(shù) 電子轉(zhuǎn)移機(jī)制 微生物實(shí)驗(yàn)方法 熒光強(qiáng)度

【摘要】：尖晶石NiMn_2O_4(NMO)作為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,由于最佳的靈敏度和精確度以及最低成本的優(yōu)勢(shì)占有相當(dāng)大的市場(chǎng)份額,在航空航天、深海探測(cè)、低溫控制,溫度精確測(cè)量、電路補(bǔ)償、穩(wěn)定電壓、流量流速測(cè)量以及時(shí)間延遲等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。本文首先概述了NiMn_2O_4和BiFeO_3的研究背景和研究現(xiàn)狀,介紹了基于密度泛函理論的第一性原理和二維相關(guān)分析技術(shù)的背景理論知識(shí)。在此基礎(chǔ)上,利用第一性原理和二維相關(guān)分析技術(shù)定量地研究處理了NiMn基尖晶石材料和Fe基鈣鈦礦材料的溫度依賴的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制;結(jié)合尖晶石和鈣鈦礦型材料電子轉(zhuǎn)移的特點(diǎn),采用微生物合成方法制備了Fe基復(fù)合異質(zhì)結(jié)Fe_3O_4-BiFeO_3,研究了復(fù)合界面間電子的轉(zhuǎn)移。首先,在寬溫區(qū)(50~1500 K)范圍內(nèi),利用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法,采用廣義梯度近似GGA+U和綴加平面波法,計(jì)算過渡金屬V/Nb/Ta取代尖晶石NiMn_2O_4陽離子,非金屬F/Cl/Br/I取代NiMn_2O_4氧原子的溫度依賴電子轉(zhuǎn)移機(jī)制。同時(shí)借助于二維相關(guān)分析技術(shù)定量處理熱積累對(duì)原子靜態(tài)軌道波動(dòng)的影響。結(jié)果表明:V/Nb/Ta八面體取代降低了d軌道的自旋極化,促使原有d-pσ*(Mn-O)軌道雜化方式向d-pπ*和σ*(Nb/Ta-O)軌道雜化方式轉(zhuǎn)變;V/Nb/Ta四面體取代不僅保持八面體內(nèi)Mn-3d-O-2p d-p軌道雜化,而且增強(qiáng)了四面體內(nèi)d-p軌道雜化,從而提高電子轉(zhuǎn)移率(0.09→0.11 e);F/Cl/Br/I氧位取代形成了F/Cl/Br/I-2p-O-2p p-p雜化軌道,誘導(dǎo)氧空位的形成,促使Mn電荷歧化Mn3+→Mn4+-Mn3+。其次,為了后期模擬計(jì)算復(fù)合(尖晶石-鈣鈦礦)材料的電子轉(zhuǎn)移特性,我們?cè)趯挏貐^(qū)范圍內(nèi)(50~1500 K),利用第一性原理和二維相關(guān)分析技術(shù)定量地研究了Fe基鈣鈦礦BiFeO_3(BFO)在不同溫度區(qū)域內(nèi)電子轉(zhuǎn)移特性;以及過渡金屬V/Nb/Ta和非金屬F/Cl/Br/I取代BFO的溫度依賴的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制。結(jié)果表明:熱積累加速了O-2p軌道的劈裂,引起了Fe的電荷歧化Fe-3d5→Fe-3d5-d0(Fe3+→Fe2+-Fe3+)。隨著溫度升高,溫度依賴的電子轉(zhuǎn)移由三重簡(jiǎn)并的t2g軌道間的躍遷(鐵磁相)轉(zhuǎn)變?yōu)槎睾?jiǎn)并的eg軌道間的躍遷(反鐵磁相)。V/Nb/Ta取代BFO中陽離子,降低了d軌道的自旋極化強(qiáng)度,促使原有p-p(Bi-O)與d-p的(Mn-O)π*和σ*軌道雜化方式向p-p(Bi-O)與d-p(Nb/Ta-O)的σ*軌道雜化方式轉(zhuǎn)變,電學(xué)性質(zhì)由導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體;F/Cl/Br/I取代有效調(diào)控了空的d0和O-2p4軌道間的強(qiáng)的共價(jià)雜化作用,由X-p5-O-2p4形成的雜化軌道誘導(dǎo)Fe電荷歧化Fe3+-3d5-Fe2+-3d5-d0,自旋動(dòng)量相互抵消促使BFO鐵磁相的轉(zhuǎn)變(鐵磁相-反鐵磁相)。最后,在前面模擬尖晶石和鈣鈦礦材料的計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上,我們?cè)O(shè)計(jì)尖晶石-鈣鈦礦復(fù)合異質(zhì)結(jié)。然而,在模擬計(jì)算中很難將Mn基尖晶石和Fe基鈣鈦礦復(fù)合界面進(jìn)行優(yōu)化,而且在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中很難合成Mn基尖晶石-Fe基鈣鈦礦的復(fù)合異質(zhì)結(jié)。為此,針對(duì)尖晶石型半導(dǎo)體鐵氧體Fe_3O_4(帶隙:1.9~2.7eV)較好生物相容性,結(jié)合鈣鈦礦型BiFeO_3薄膜優(yōu)良的光學(xué)特性。我們利用微生物方法合成制備成分可控的(XZn)Fe_2O_4-BiFeO_3鐵基異質(zhì)結(jié)。同時(shí),結(jié)合第一性原理驗(yàn)解釋了尖晶石型鐵氧體(XZn)Fe_2O_4與鈣鈦礦型BiFeO_3復(fù)合的新型表面間電子的躍遷機(jī)制。結(jié)果表明:尖晶石(XZn)Fe_2O_4鐵氧體嵌入鈣鈦礦型BiFeO_3薄膜,由于Fe-O-O-Bi和Fe-O-Fe界面耦合作用,不僅增大了載流子遷移率和光生載流子的復(fù)合,降低(XZn)Fe_2O_4鐵氧體的禁帶寬度(1.56eV);而且擴(kuò)大了(XZn)Fe_2O_4-BiFeO_3鐵基異質(zhì)結(jié)的表面積,拓寬熒光強(qiáng)度的發(fā)光區(qū)域(擴(kuò)大到了100nm)。
【關(guān)鍵詞】：密度泛函理論 二維相關(guān)分析技術(shù) 電子轉(zhuǎn)移機(jī)制 微生物實(shí)驗(yàn)方法 熒光強(qiáng)度
【學(xué)位授予單位】：新疆大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ174.1;TB303
【目錄】：

• 摘要2-4
• Abstract4-9
• 1、引言9-16
• 1.1 NTC熱敏電阻的物理特性與應(yīng)用領(lǐng)域9-10
• 1.2 NTC熱敏材料的導(dǎo)電機(jī)理10-13
• 1.2.1 尖晶石NiMn_2O_4導(dǎo)電機(jī)理及其研究進(jìn)展10-12
• 1.2.2 鈣鈦礦BiFeO_3導(dǎo)電機(jī)理及其研究進(jìn)展12-13
• 1.3 本文的研究目的、意義與內(nèi)容13-16
• 1.3.1 研究目的及意義13-14
• 1.3.2 研究?jī)?nèi)容14-15
• 1.3.3 創(chuàng)新點(diǎn)15-16
• 2、背景理論16-25
• 2.1 基于密度泛函理論的第一性原理16-20
• 2.1.1 Hartree-Fock近似17
• 2.1.2 Kohn-Sham方程17-19
• 2.1.3 交換關(guān)聯(lián)相互作用19-20
• 2.2 基礎(chǔ)理論簡(jiǎn)介20-25
• 2.2.1 價(jià)鍵理論20-22
• 2.2.2 二維相關(guān)分析方法22-25
• 3、摻雜對(duì)錳基尖晶石NTC熱敏材料導(dǎo)電機(jī)制的影響25-51
• 3.1 NiMn_2O_4的導(dǎo)電機(jī)制25-32
• 3.1.1 計(jì)算模型與計(jì)算方法25-26
• 3.1.2 結(jié)果與討論26-30
• 3.1.3 小結(jié)30-32
• 3.2 B位取代對(duì)NMO的導(dǎo)電機(jī)制32-39
• 3.2.1 計(jì)算模型與計(jì)算方法32-33
• 3.2.2 結(jié)果與討論33-38
• 3.2.3 小結(jié)38-39
• 3.3 A位取代對(duì)NMO的導(dǎo)電機(jī)制39-46
• 3.3.1 計(jì)算模型與計(jì)算方法39-40
• 3.3.2 結(jié)果與討論40-45
• 3.3.3 小結(jié)45-46
• 3.4 O位取代對(duì)NMO的導(dǎo)電機(jī)制46-51
• 3.4.1 計(jì)算模型與計(jì)算方法46-47
• 3.4.2 結(jié)果與討論47-49
• 3.4.3 小結(jié)49-51
• 4、摻雜對(duì)鐵基鈣鈦礦材料導(dǎo)電機(jī)制的影響51-67
• 4.1 BiFeO_3溫度依賴的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制51-57
• 4.1.1 計(jì)算模型與計(jì)算方法51-52
• 4.1.2 結(jié)果與討論52-56
• 4.1.3 小結(jié)56-57
• 4.2 V、Nb、Ta摻雜BFO的導(dǎo)電機(jī)制57-62
• 4.2.1 計(jì)算模型與計(jì)算方法57-58
• 4.2.2 結(jié)果與討論58-61
• 4.2.3 小結(jié)61-62
• 4.3 鹵素取代BFO的導(dǎo)電機(jī)制62-67
• 4.3.1 計(jì)算模型與計(jì)算方法62-63
• 4.3.2 結(jié)果與討論63-66
• 4.3.3 小結(jié)66-67
• 5、BiFeO_3-Fe_3O_4復(fù)合材料的理論與實(shí)驗(yàn)研究67-78
• 5.1 引言67-68
• 5.2 試驗(yàn)與理論方法68-71
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)68-70
• 5.2.2 計(jì)算細(xì)節(jié)70-71
• 5.3 結(jié)果與討論71-77
• 5.3.1 Fe_3O_4-BiFeO_3復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)分析71-74
• 5.3.2 Fe_3O_4-BiFeO_3復(fù)合材料理論分析74-77
• 5.4 小結(jié)77-78
• 6、結(jié)論與展望78-80
• 7、攻讀碩士期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文及科研成果80-83
• 8、參考文獻(xiàn)83-93
• 致謝93-94

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