钙钛矿氧化物多铁性与结构相变的第一性原理研究

发布时间：2020-09-04 17:58

　　 近年来,具有化学通式为ABO_3的钙钛矿结构氧化物因其具有的铁电性、压电性、磁性、多铁性、巨磁阻效应、光电特性等诸多特性,在磁存储器、探测器、传感器、太阳能电池及多功能材料等方面具有广泛的应用前景而备受关注。钙钛矿结构氧化物中多铁性是多年来的研究热点,以实现铁电性与磁性的相互耦合,达到电控磁、磁控电以及电磁互控的目的。此外,由于所处生长环境,如温度、压强等,以及制备方法的不同,钙钛矿材料显示出不同的结构特点,这些不同的结构之间往往拥有不同的物理和化学性质。本论文采用第一性原理以及基于第一性原理的有效哈密顿量方法,对钙钛矿氧化物材料的多铁性和随温度发生的结构相变进行了比较系统的研究。本论文共分为五章,主要内容如下:第一章,绪论部分,首先介绍了分子式为ABO_3的钙钛矿材料结构信息;其次对固体材料中的磁性、非本征铁电及多铁性作了简单陈述;随后简要介绍了与固体结构相变有关的朗道相变理论和软模的概念;最后阐述了本论文主要的研究目的、研究意义、研究对象和研究内容。第二章,阐述了本论文采用的理论背景和研究方法,主要为密度泛函理论和基于第一性原理的有效哈密顿量方法。第三章,采用基于密度泛函理论的第一性原理研究方法,研究了SmFeO_3稀土正铁氧体化合物中的磁性多畴结构。我们专注于沿(001)方向的反相畴壁处的磁对称性破坏,本工作中我们采用的是最简单的(共线)近似去处理磁性,没有考虑任何的相对论(自旋-轨道耦合)效应。我们发现位于畴内的FeO_2层的层数决定了整个系统的电学性质,即:具有奇数FeO_2层的多畴结构为顺电结构,而具有偶数层FeO_2的多畴结构具有沿b轴方向的电极化,并且由此将产生具有多铁性的8)(82基态。我们的从头算数据和由自旋序引起铁电性的模型揭示了这种极化为非本征极化,该非本征极化源于交换伸缩机制,它驱动位于磁畴壁处的氧离子运动产生了极性位移。此外对一些具有类SmFeO_3正交结构的体系进行的计算表明,此效应在具有这种正交结构的磁性钙钛矿材料中能普遍存在。第四章,钙钛矿氧化物NaNbO_3因其随温度变化有非常复杂的结构相变,而拥有最复杂钙钛矿的称号。本工作中,我们为NaNbO_3体系开发了一个基于第一性原理的有效哈密顿量,使用该有效哈密顿量以及结合直接的从头算技术,我们研究了这个最复杂钙钛矿系统的有限温度特性。我们的模拟成功地再现了其随温度变化相图中存在的七个不同的相。将该有效哈密顿量的总能量进行分解成不同的能量项,将这些能量项和与各能量项相关的参数数值结合在一起,同样也能使我们对这种化合物的令人费解的特征有所了解。例如能揭示3(8是其基态的微观原因,以及为什么在高温下它仅采用同相旋转而在中间温度下采用的是复杂的纳米线结构。此外,我们的计算的结果号召大家去重新考虑NaNbO_3所谓的P、R和S态。因为对于P态,我们的数值模拟意外的发现了一个非均匀的电极化,而这个非均匀电极化在先前工作中是被忽略了的;对于具有争议的R和S态,我们预测到了与其复杂旋转相关的多个k点的同时凝聚。第五章,对本论文的研究内容进行总结,对非本征铁电的产生、多铁特性的发现及使用基于第一性原理的有效哈密顿量对NaNbO_3体系及其他体系的研究前景进行了展望。
【学位单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34

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本文编号：2812412