掺杂对尖晶石型钴铁氧体和锌铁氧体性能影响的第一性原理研究

发布时间：2017-10-04 04:19

  本文关键词：掺杂对尖晶石型钴铁氧体和锌铁氧体性能影响的第一性原理研究

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【摘要】：尖晶石型铁氧体作为一类重要磁性材料,其特殊的光学、电子和磁特性,使得其被广泛应用于电子器件、信息存储系统、磁性器件、通讯设备和微波装置等方面。因此本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算和广义梯度近似(GGA)+U的方法,系统研究了掺杂对尖晶石型钴铁氧体和锌铁氧体的晶体结构、电子结构与磁性能的影响及其相关物理机制。本文研究了尖晶石型钴铁氧体(CoFe_2O_4)材料的结构稳定性、磁性能和电子结构。结果表明:Co离子倾向于占据八面体位置,即反尖晶石CoFe_2O_4的结构最稳定。分析总态密度分布可知,反尖晶石结构和正尖晶石结构都呈绝缘性,且反尖晶石结构的带隙比正尖晶石结构带隙宽。计算的磁矩结果表明Co和Fe离子都呈高自旋态且正尖晶石结构的总磁矩大于反尖晶石的总磁矩。Ni离子掺杂钴铁氧体结果表明Ni离子倾向于取代八面体位置的Co离子且随着Ni掺杂量的增加,晶格常数呈递减趋势。从态密度图分析表明,带隙随着Ni掺杂量的变化而变化,且大部分都呈绝缘体。磁性能依赖于Ni的掺杂量,随着Ni掺杂量的增加,晶格中的原子磁矩变化不明显,但总磁矩呈线性递减趋势,主要因为Ni离子最外层的3d未配对电子数小于Co离子最外层3d未配对电子数。Mn离子掺杂对钴铁氧体的结构稳定性、磁性能和电子结构影响结果表明当Mn离子掺杂量小于37.5%时,Mn离子占据八面体位置结构最稳定且显+3价,然而当Mn离子掺杂量大于37.5%时,有部分Mn离子占据四面体位置且显+2价,即Mn~(2+)离子倾向占据四面体亚晶格中,而Mn~(3+)离子倾向于占据八面体亚晶格中。由于Mn离子的半径大于Co离子的半径,导致体系晶格常数随着Mn掺杂浓度的增加而增加。从态密度图可知,体系带隙随Mn离子的掺杂而减小。Mn掺杂对磁性能的影响结果表明,当掺杂量大于37.5%时,随着Mn掺杂量的增加,体系总磁矩呈增加趋势。尖晶石型锌铁氧体(ZnFe_2O_4)活性较高,广泛应用于处理染料废水方面。本文通过掺杂向能带中引入杂质能级,来调节能带结构,以提高锌铁氧体对光吸收的能力,在一定程度上提高其光催化效率。结果表明正尖晶石结构的ZnFe_2O_4最稳定,其带隙为1.92 eV。二价不同元素掺杂对ZnFe_2O_4的磁性能和带隙都有不同程度的影响。由于Be~(2+)、Mg~(2+)、Ca~(2+)、Sr~(2+)和Ba~(2+)没有未配对的电子,它们对体系的磁性贡献很小。而Cr~(2+)、Mn~(2+)、Co~(2+)、Ni~(2+)、Cu~(2+)的具有未配对的3d轨道电子,导致总磁矩有不同程度的变化。掺杂三价不同元素导致ZnFe_2O_4禁带宽度有明显的变化,同时三价元素掺杂使得体系的总磁矩减小。
【关键词】：第一性原理计算 钴铁氧体 锌铁氧体 掺杂 态密度 磁矩
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM277
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 引言9
• 1.2 尖晶石铁氧体的晶体结构9-10
• 1.3 尖晶石铁氧体的磁性10-11
• 1.4 尖晶石型铁氧体材料的研究现状11-14
• 1.5 本文研究目的和研究内容14-16
• 1.5.1 研究目的14
• 1.5.2 研究意义14
• 1.5.3 研究内容14-16
• 第2章 理论基础及计算方法16-24
• 2.1 引言16
• 2.2 密度泛函理论16-20
• 2.2.1 Hobenberg-Kohn定理17
• 2.2.2 Kohn-Sham方程17-18
• 2.2.3 局域密度近似(LDA)18-19
• 2.2.4 广义梯度近似(GGA)19-20
• 2.3 赝势方法20-22
• 2.4 自洽求解的流程22-23
• 2.5 计算软件简介23-24
• 第3章 尖晶石钴铁氧体的电子结构和磁性能研究24-32
• 3.1 引言24
• 3.2 计算模型和计算方法24-25
• 3.3 结构稳定性25-26
• 3.4 磁性能和电子结构分析26-31
• 3.4.1 磁性能26
• 3.4.2 电子结构分析26-31
• 3.5 本章小结31-32
• 第4章 Ni掺杂对CoFe_2O_4的磁性能和电子结构的影响32-43
• 4.1 引言32-33
• 4.2 计算方法和计算模型33-35
• 4.3 结构稳定性35-36
• 4.4 磁性能和电子结构36-42
• 4.4.1 磁性能36-38
• 4.4.2 电子结构38-42
• 4.5 本章小结42-43
• 第5章 Mn掺杂对CoFe_2O_4磁性能和电子结构的影响43-56
• 5.1 引言43
• 5.2 计算方法和计算模型43-45
• 5.3 结构稳定性45-47
• 5.4 磁性能和电子结构47-54
• 5.4.1 磁性能47-49
• 5.4.2 电子结构49-54
• 5.5 本章小结54-56
• 第6章 掺杂对ZnFe_2O_4电磁性能影响的理论研究56-64
• 6.1 引言56
• 6.2 计算方法和计算模型56-57
• 6.3 锌铁氧体的结构参数和磁性能57
• 6.4 U值对锌铁氧体的带隙的影响57-59
• 6.5 不同元素掺杂对ZnFe_2O_4性能的影响59-62
• 6.5.1 不同二价元素掺杂对ZnFe_2O_4电磁性能的影响59-61
• 6.5.2 不同三价元素掺杂对ZnFe_2O_4电磁性能的影响61-62
• 6.6 本章小结62-64
• 结论64-65
• 参考文献65-73
• 发表论文和参加科研情况73-74
• 致谢74-75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 罗广圣;周卫平;李建德;姜贵文;唐少龙;都有为;;Cu离子掺杂对Ni-Zn铁氧体结构和介电性能的影响（英文）[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2015年11期

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中国硕士学位论文全文数据库 前2条

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本文编号：968579