本文關(guān)鍵詞：ABO_3型鐵電體中的缺陷及缺陷引發(fā)的多鐵性質(zhì)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：鐵電材料中的缺陷會影響其自發(fā)極化和外電場下的響應(yīng)性質(zhì),造成電疲勞、老化等現(xiàn)象;另一方面,替位、空位等點(diǎn)缺陷能夠改變材料的原子結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì),在鐵電材料中引入磁性和其它新奇的性質(zhì)。在本文中,我們通過第一性原理計(jì)算的方法,研究了傳統(tǒng)鐵電材料ABO_3型氧化物中的疇壁結(jié)構(gòu)、氧空位缺陷和摻雜對其鐵電性質(zhì)的影響,并探討了利用氧空位調(diào)制實(shí)現(xiàn)多鐵性的途徑。首先,我們研究了典型鈣鈦礦鐵電材料BaTiO_3的180度疇壁結(jié)構(gòu)。長期以來,人們認(rèn)為180度鐵電疇壁是單純的伊辛型疇壁,我們通過在四方相BaTiO_3中建立沿著高指數(shù)面的疇壁,發(fā)現(xiàn)(100)疇壁具有伊辛-尼爾特性,而(410)疇壁同時具有伊辛-尼爾-布洛赫特性。另外,鐵電疇壁的尼爾型分量使疇壁帶有極化電荷,因而疇壁更容易吸引帶電的缺陷。我們還發(fā)現(xiàn),不同取向的180度疇壁,其尼爾分量大小不同,因此帶有極化電荷的密度不同。其次,我們研究了應(yīng)變下的超短周期PbTiO_3/SrTiO3超晶格,關(guān)注氧空位(VO)對超晶格的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)超晶格的面內(nèi)晶格常數(shù)介于PbTiO_3和SrTiO_3各自的晶格常數(shù)之間時,氧空位最容易形成。氧空位能在Ti-VO-Ti的方向引起尾對尾的極化模式,抵消這個方向的極化,從而將體系的總極化釘扎到特定方向。另外,氧八面體只有在繞著Ti-VO-Ti方向的轉(zhuǎn)動受到抑制。因此,可以通過氧空位來調(diào)制超晶格沿特定方向的性質(zhì)。然后,我們從兩個方向出發(fā),探究在ABO_3型鐵電體中引入多鐵性的可能并設(shè)計(jì)相應(yīng)的方案。首先在傳統(tǒng)的鐵電體BaTiO_3中通過非金屬元素?fù)诫s的方法引入d0磁性。將C原子摻入BaTiO_3的體相中,發(fā)現(xiàn)單個C摻雜能在體系中引入2μB的磁矩。然而由于多個C原子摻雜到體系中時,容易聚合在一起,使得Ti的d軌道被占據(jù),消除了Ti-O相對位移所驅(qū)動的鐵電性。因此只有單C摻雜的方法能引入多鐵性。我們還研究了六方型鐵電-反鐵磁耦合的多鐵材料YMnO_3。發(fā)現(xiàn)在MnO面的氧空位會影響Mn原子的位置,但是不能改變體系的磁性;而在Mn上方的氧空位能穩(wěn)定一種特定的Mn面內(nèi)磁構(gòu)型,使體系沿c軸具有非零的凈磁矩,有希望實(shí)現(xiàn)鐵磁性。因此,可以通過應(yīng)變等促進(jìn)特定氧空位的形成,在YMnO_3材料中實(shí)現(xiàn)鐵磁-鐵電耦合。
【關(guān)鍵詞】：鐵電 多鐵 第一性原理計(jì)算 氧空位 超晶格
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O469;O483
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 緒論9-27
• 1.1 鐵電的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用9-11
• 1.1.1 歷史和現(xiàn)狀9-10
• 1.1.2 應(yīng)用10-11
• 1.2 鈣鈦礦型氧化物11-17
• 1.2.1 ABO_3結(jié)構(gòu)11-14
• 1.2.2 幾種典型的鈣鈦礦型氧化物14-16
• 1.2.3 應(yīng)變效應(yīng)16-17
• 1.3 多鐵材料17-23
• 1.3.1 定義及應(yīng)用17-18
• 1.3.2 典型的多鐵材料18-21
• 1.3.3 單相多鐵超晶格21
• 1.3.4 多鐵復(fù)合異質(zhì)結(jié)21-23
• 1.4 缺陷、鐵電疇及疇壁動力學(xué)23-25
• 1.4.1 點(diǎn)缺陷23-24
• 1.4.2 電偶極矩缺陷24-25
• 1.4.3 鐵電疇壁的本質(zhì)25
• 1.5 研究目標(biāo)25-27
• 第2章 第一性原理計(jì)算27-35
• 2.1 引言27
• 2.2 多體問題27-28
• 2.3 絕熱近似28-29
• 2.4 密度泛函理論29-32
• 2.4.1 Hohenberg-Kohn定理29
• 2.4.2 Kohn-Sham方程29-30
• 2.4.3 交換關(guān)聯(lián)泛函30-31
• 2.4.4 LDA+U方法31-32
• 2.5 密度泛函微擾理論32-33
• 2.6 現(xiàn)代極化理論33-35
• 第3章 BaTiO_3中180°疇壁的第一性原理研究35-48
• 3.1 引言35-36
• 3.2 計(jì)算模型和方法36-39
• 3.2.1 鐵電疇壁的構(gòu)造36-39
• 3.2.2 第一原理計(jì)算設(shè)置39
• 3.3 計(jì)算結(jié)果與討論39-46
• 3.3.1 180°（100）鐵電疇壁40-42
• 3.3.2 180°（410）鐵電疇壁42-45
• 3.3.3 應(yīng)變對疇壁的影響45-46
• 3.4 本章結(jié)論46-48
• 第4章 氧空位和外延應(yīng)力的協(xié)同作用對PbTiO_3/SrTiO_3超晶格的影響48-64
• 4.1 引言48-50
• 4.2 計(jì)算模型和方法50-52
• 4.3 計(jì)算結(jié)果與討論52-62
• 4.3.1 完美超晶格中的反常鐵電性52-54
• 4.3.2 氧空位的形成能54-55
• 4.3.3 氧空位對極化的影響55-58
• 4.3.4 氧空位對氧八面體轉(zhuǎn)動的影響58-61
• 4.3.5 鐵電極化和氧八面體轉(zhuǎn)動的關(guān)系61-62
• 4.4 本章結(jié)論62-64
• 第5章 碳摻雜在BaTiO_3中引起的磁性64-73
• 5.1 引言64-65
• 5.2 計(jì)算模型和方法65-67
• 5.2.1 摻雜結(jié)構(gòu)65-66
• 5.2.2 第一原理計(jì)算設(shè)置66-67
• 5.3 計(jì)算結(jié)果與討論67-72
• 5.3.1 單C原子摻雜對BaTiO_3的影響67-68
• 5.3.2 雙C原子摻雜對BaTiO_3的影響68-72
• 5.4 本章結(jié)論72-73
• 第6章 氧空位對多鐵YMnO_3的磁性調(diào)控73-83
• 6.1 引言73-74
• 6.2 計(jì)算模型和方法74-76
• 6.3 計(jì)算結(jié)果與討論76-81
• 6.3.1 完美YMnO_3的鐵電和反鐵磁性質(zhì)76-77
• 6.3.2 氧空位對YMnO_3結(jié)構(gòu)的影響77-79
• 6.3.3 氧空位對YMnO_3電子結(jié)構(gòu)和磁性的影響79-81
• 6.4 本章結(jié)論81-83
• 第7章 結(jié)論83-85
• 參考文獻(xiàn)85-98
• 致謝98-100
• 個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果100

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