多铁材料铁酸铋掺杂改性的第一性原理研究

发布时间：2018-06-05 15:40

  本文选题：第一性原理 + 掺杂铁酸铋　； 参考：《南京邮电大学》2016年硕士论文

【摘要】：块状BiFeO_3(BFO)是ABO3扭曲钙钛矿结构,空间群是161_R3c相。铁酸铋在同一相中同时具有铁电性、铁弹性和铁磁性。多铁材料铁酸铋铁电转变温度TC=1103 K,G型反铁磁转变温度TN=643 K。对于铁酸铋来说,其内部的极化序和磁性相互耦合,会产生磁电耦合效应。铁酸铋的这些优点使其在智能设备、磁电传感器、自旋电子设备、存储器的材料制备上有巨大的应用前景。但是,铁酸铋结构的不稳定性、较弱的磁性以及较高的漏电流,这些缺点会阻碍铁酸铋磁电耦合效应的强度。A位阳离子一般情况贡献极性,B位阳离子一般情况贡献磁性,我们可以在A、B位替代掺杂合适的元素来改善铁酸铋的性能。本文的研究内容是用基于第一性原理的理论计算通过A、B位替代掺杂铁酸铋性能的改变。我们建立系列体系,研究体系的结构、电学性质、光学性质和磁性。研究的主要结果如下:(1)采用基于GGA+U的密度泛函理论的第一性原理计算分析纯铁酸铋和碱土金属Ca掺杂BiFeO_3在结构、电学、磁学、光学方面的性质,研究表明表明Ca替代BiFeO_3中Bi的位置,晶胞结构发生变化,从单相的斜六面体R3c变为两相共存结构(菱形R3c相和非极化立方FM-3M相)。同纯铁酸铋相比较,Bi位用Ca原子来替代会减小晶胞的尺寸,Fe-O-Fe键之间的角度减小,Fe-O键之间的长度增加。纯铁酸铋的带隙为2.60 eV,掺杂会带来费米能级的降低,从带隙可以看出Ca掺杂的BiFeO_3具有典型的半金属性质,自旋向上的态密度有一个较大的带隙1.92 eV,自旋向下的态密度带隙为零。由于价带处Ca引起态密度的增加吸收峰向较低的能量处蓝移。从光学性质可以分析电子结构的内在机理,研究各轨道电子间的相互作用,Ca掺杂后光学性质发生明显变化。BFO的静态介电泛函?1(0)为7.6,BFCO的静态介电泛函?1(0)为16.1。此外,Ca掺杂增强了铁酸铋的铁磁性,主要原因是尺寸效应和Fe-O-Fe键角的改变导致自旋的倾斜。(2)用第一性原理讨论稀土元素La,Gd,Er,Lu(按照每单胞0.2的量掺杂)和过渡金属Co共掺BiFeO_3的性质。从计算所得的态密度结果表明,稀土元素Er、La、Gd、Lu的4f和4d态与O2-离子的2p态,Bi+离子的6p态,Fe3+离子和Co3+离子的3d态之间存在杂化。La掺杂BiFe0.9Co0.1O3(BFCO)引起带隙能量降低到1.71 eV,Er掺杂使带隙能量降低到0.80eV,使体系变为半金属特性;Gd和Lu掺杂增强体系的金属性,BLuFCO和BGdFCO的态密度图和能带图说明Lu和Gd元素掺杂使体系从半导体状态变为导体状态。BEFCO,BLaFCO,BGdFCO和BLuFCO的整体磁矩分别为4.901,4.896,9.268和4.816B。Bi0.8La0.2Fe0.9Co0.1O3、Bi0.8Gd0.2Fe0.9Co0.1O3、Bi0.8Er0.2Fe0.9Co0.1O3、Bi0.8Lu0.2Fe0.9Co0.1O3的静态介电常数1(0)分别为7.1,7.4,9.2和10.5。此外掺杂明显增强反射率和折射率,稀土(尤其是Lu(4f14)和Gd(4f7))元素的4f电子对介电函数?()有非常明显的影响,光学跃迁主要来源于O-2p态价带到Fe-3d态或者Lu/Gd的4f导带的电子转移。以上结论表明BLuFCO和BGdFCO体系在制备光伏设备上具有很大的应用前景。
[Abstract]:BiFeO _ 3 ( BFO ) is an ABO3 - twisted perovskite structure , and the space group is 161 _ R3c phase . In the same phase , bismuth ferrite has ferroelectricity , iron elasticity and ferromagnetism . ( 2 ) The properties of rare earth elements La , Gd , Er and Lu ( according to the amount of 0.2 % per unit cell ) and the transition metal Co co - doped BiFeO _ 3 were discussed by the first principle . The results show that the total magnetic moments of the rare earth elements Er , La , Gd and Lu and the 3 d states of the transition metal Co are respectively 4.901 , 4.896 , 9.268 and 4.816B . Bi0.8Sr0 . 9Co0 . 1O3 , Bi0.8Gd0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi0.8Gd0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi0.8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi0.8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi0.8Er 0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi 0 . 8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi 0 . 8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi 0 . 8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi0.8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi 0 . 8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi0.8Er0 . 9Co0 . 9Co0 . 9Co0 . 1O3 , Bi 0 . 8Er0 . 9Co0 . 1O3 .
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34

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本文编号：1982504