本文關(guān)鍵詞：缺陷誘導納米氧化物（ABO_x）室溫磁性和鉍硫化合物各向異性熱電性能研究

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【摘要】：未來技術(shù)的挑戰(zhàn),它不僅可以控制電子電荷,而且還能操縱電子自旋,電子量子態(tài)以及光子。鑒于低能消耗,高速傳輸和大規(guī)模集成器件的需求,自旋電子學便誕生,它體現(xiàn)自旋和電荷的協(xié)同作用和多功能使用。磁半導體,它擁有高于室溫的居里溫度,同時也是實現(xiàn)自旋器件的可靠侯選者。由于在下一代多功能自旋器件中的潛力應用,稀磁半導體(DMSs)已經(jīng)廣泛地受到關(guān)注。盡管摻雜過渡金屬(TM),是一種獲取稀磁半導體的方法,但是這種方法有著自己的缺點,摻雜可能導致二次相和團簇的存在。但是,由于過渡金屬的低溶解度,二次相和團簇的存在,它們將會限制稀磁半導體的實際應用和復雜磁信號的解釋。采用缺陷摻雜,而不是過渡金屬摻雜,將會排除二次相和團簇的干擾�；诩{米氧化物ABOx,我們選取Ba Nb O3、Ba Mo O4、Cd WO4作為研究對象。由于化石燃料的需求和燃燒,導致環(huán)境惡化,以及對能源的需求增長,迫使我們尋找新的能源,尤其是潔凈和可再生的能源。由于在潔凈和可再生能源方面的潛在應用,熱電材料受到大量的關(guān)注,它可以將熱能和電能進行可逆的轉(zhuǎn)化。但是,由于實驗條件的限制,我們沒有找到產(chǎn)生最大熱電優(yōu)值的最佳溫度和載流子濃度。因此,為了提高熱電優(yōu)值以及為實驗提供一個理論引導,我們有必要研究關(guān)于溫度和載流子濃度的熱電性質(zhì)�；阢G硫化合物,我們選擇Bi2S3、Bi2O2Se、Bi2Se3作為研究對象,研究其相關(guān)的熱電性質(zhì)。本論文的主要研究結(jié)論總結(jié)如下:(1)在UV照射前后,我們研究鈣鈦礦Ba Nb O3立方塊的光學和磁學性質(zhì)。在UV照射后,樣品的帶隙從3.94 e V減小到3.88 e V,而且在可見光范圍,樣品的吸收能力增強。X射線電子能譜圖(XPS)揭示,樣品含有氧空位。經(jīng)過磁學性能測試,樣品表現(xiàn)出弱的鐵磁行為,經(jīng)過UV照射后,樣品的飽和磁矩從4.34×10-3 emu/g增加到6.60×10-3 emu/g。第一性原理計算表明,樣品的磁性是由兩個帶電的氧空位2 2O1 O5V V++-導致的,它迫使極化電子占據(jù)氧空位附近Nb原子的d軌道。UV照射可以使樣品產(chǎn)生氧空位,當樣品的氧空位濃度增加時,總磁矩從0.942μB增加到1.76μB,理論結(jié)果很好地符合實驗結(jié)論。(2)稀磁半導體(DMSs),擁有高于室溫的居里溫度,在技術(shù)和多功能方面有著重要的應用。缺陷工程是一種有效的方法,在多種非磁性的體系中,引入鐵磁行為。在這里,我們第一次報道擁有氧空位的Ba Mo O4樣品顯示鐵磁行為。第一性原理計算表明,氧空位應該對發(fā)現(xiàn)的鐵磁行為負責。當一個氧空位引入計算的體重慶大學博士學位論文系時,Mo 4d的相關(guān)電子占據(jù)態(tài)是1 02 g gte-,產(chǎn)生1.0μB的磁性;當兩個氧空位引入計算的體系時,Mo 4d的相關(guān)電子占據(jù)態(tài)是2 02 g gte-,產(chǎn)生2.0μB的磁性。因此,產(chǎn)生磁性的機理是,未成對電子占據(jù)d軌道,處于高自旋態(tài),進而顯示鐵磁行為。我們的發(fā)現(xiàn)證明,室溫鐵磁行為可以通過缺陷工程進行引入。(3)我們通過水熱法,在200℃的條件下,合成寬為80納米,長為300納米的單斜相Cd WO4納米棒。在0 K到300 K的溫度范圍,我們研究依賴溫度的光致發(fā)光性質(zhì),光譜顯示兩個峰,438 nm(2.83 e V)和490 nm(2.53 e V)。我們發(fā)現(xiàn),438 nm和490 nm峰的發(fā)光強度,隨著溫度上升,而下降。這種強烈地依賴溫度的發(fā)射強度是由于非復合的熱淬滅導致的。強烈依賴溫度的發(fā)射峰,可以采用電聲耦合進行解釋。理論證明,0OV和1OV+分別導致438 nm和490 nm的峰。另外,我們發(fā)現(xiàn),在氧空位1OV+附近,未填滿的W t2g擁有一個電子,顯示高自旋態(tài),表現(xiàn)出磁性,卻被磁性測試所證明。Cd WO4納米棒,在沒有任何磁性離子存在的情況下,實現(xiàn)室溫鐵磁行為。(4)我們研究Bi2S3材料的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)。Bi2S3材料的電子和空穴的有效質(zhì)量詳細地被分析,從分析中,我們知道,在不同的方向,Bi2S3材料有著不同的熱電行為,在ac平面,較高的熱電優(yōu)值可能取得。對電子摻雜的Bi2S3材料,最佳載流子濃度是1.0×1019 cm-3-5.0×1019 cm-3,在這個濃度范圍內(nèi),最大的熱電優(yōu)值,ZT=0.21。考慮到熱電性質(zhì)的各向異性,在ZZ方向,我們可以取得最大的熱電優(yōu)值ZT=0.36.(5)基于第一性原理和玻爾茲曼輸運理論,我們討論Bi2Se3單層依賴溫度和載流子濃度的熱電性質(zhì)。當載流子濃度固定在3.24×1018 cm-3時,溫度在900K時,我們可以取得,最大熱電優(yōu)值ZT=19,然而考慮到各向異性時,在XX方向,我們可以取得,最大的熱電優(yōu)值ZT=25。當載流子濃度可以變化時,在4×1019 cm-3和900K的時候,我們可以取得,最大的熱電優(yōu)值ZT=38,然而考慮到各向異性時,在YY方向,我們可以取得,最大的熱電優(yōu)值ZT=72。與實驗數(shù)據(jù)相比,我們發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果粗糙地符合實驗結(jié)果,意味著計算的合理性。除了石墨烯外,更多的二維材料應該被關(guān)注,我們的計算結(jié)論,為探索高效率的熱電材料提供一條路徑。(6)采用Tran-Blaha修改的Becke-Johnson(TB-m BJGGA)勢和玻爾茲曼輸運理論,我們計算Bi2O2Se的電子結(jié)構(gòu)和傳輸性質(zhì)。在壓縮壓力和拉伸應力作用下,Bi2O2Se的帶隙減小。通過理論計算,我們預測:在n型摻雜中,壓縮應力使塞貝克系數(shù)增大;在p型摻雜中,拉伸應力使塞貝克系數(shù)增大;在n型摻雜中,壓縮應力使功率因子增大;在p型摻雜中,拉伸應力使功率因子增大。在p型摻雜的Bi2O2Se中,在拉伸應力(2.3%)的情況下,我們可以取得,最大的熱電優(yōu)值ZT=1.42,考慮各向異性時,在ZZ方向,ZT=1.76,證明Bi2O2Se是一種優(yōu)良的熱電材料。理論計算證明,應力工程可以改良熱電材料的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì),為提高熱電材料的熱電優(yōu)值,提供一個思路。
【關(guān)鍵詞】：納米氧化物ABOx 鉍硫化合物 鐵磁 光學 熱電
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O482
【目錄】：

• 中文摘要3-6
• 英文摘要6-12
• 1 緒論12-36
• 1.1 自旋電子學簡介12-16
• 1.1.1 自旋電子學概念12-14
• 1.1.2 自旋電子學的進展14
• 1.1.3 自旋電子學的尺度14-16
• 1.1.4 新一代自旋電子學16
• 1.2 熱電效應簡介16-19
• 1.3 半導體的熱電性質(zhì)19-32
• 1.3.1 玻爾茲曼輸運理論19-22
• 1.3.2 改善半導體熱電性質(zhì)的方法22-32
• 1.4 本文的研究內(nèi)容及創(chuàng)新點32-36
• 2 氧空位誘導立方相BaNbO_3的磁性研究36-56
• 2.1 研究背景36
• 2.2 材料的制備36-42
• 2.2.1 材料的制備36-37
• 2.2.2 材料的表征37-42
• 2.3 理論計算細節(jié)42-43
• 2.4 光學和磁學性質(zhì)43-54
• 2.5 本章小結(jié)54-56
• 3 氧空位誘導四方相BaMoO_4的磁性研究56-76
• 3.1 研究背景56
• 3.2 材料的制備56-62
• 3.2.1 材料的制備56-57
• 3.2.2 材料的表征57-62
• 3.3 理論計算細節(jié)62-63
• 3.4 光學和磁學性質(zhì)63-74
• 3.5 本章小結(jié)74-76
• 4 氧空位誘導單斜相CdWO_4的磁性研究76-100
• 4.1 研究背景76
• 4.2 材料的制備76-83
• 4.2.1 材料的制備76-77
• 4.2.2 材料的表征77-83
• 4.3 理論計算細節(jié)83
• 4.4 光學和磁學性質(zhì)83-99
• 4.5 本章小結(jié)99-100
• 5 Bi_2S_3 各向異性熱電性能研究100-112
• 5.1 研究背景100
• 5.2 理論計算細節(jié)100-102
• 5.3 電子結(jié)構(gòu)102-105
• 5.4 熱電性質(zhì)105-111
• 5.5 本章小結(jié)111-112
• 6 Bi_2Se_3 單層各向異性熱電性能研究112-128
• 6.1 研究背景112
• 6.2 理論計算細節(jié)112-114
• 6.3 電子結(jié)構(gòu)114-116
• 6.4 熱電性質(zhì)116-126
• 6.5 本章小結(jié)126-128
• 7 Bi2_O_2Se各向異性熱電性能研究128-152
• 7.1 研究背景128
• 7.2 理論計算細節(jié)128-129
• 7.3 電子結(jié)構(gòu)129-133
• 7.4 熱電性質(zhì)133-150
• 7.5 小結(jié)150-152
• 8 結(jié)論與展望152-156
• 8.1 主要結(jié)論152-154
• 8.2 展望154-156
• 致謝156-158
• 參考文獻158-172
• 附錄172-173
• A. 作者在攻讀學位期間發(fā)表的論文目錄172-173
• B. 作者在攻讀博士期間摻加的科研項目及得獎情況173
• B.1 主持項目173
• B.2 摻與項目173
• B.3 獲獎情況173

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