镍锰基NTC热敏陶瓷和铁基钙钛矿材料的结构设计与导电机理研究

发布时间：2017-10-22 04:13

  本文关键词：镍锰基NTC热敏陶瓷和铁基钙钛矿材料的结构设计与导电机理研究

  更多相关文章： 密度泛函理论 二维相关分析技术 电子转移机制 微生物实验方法 荧光强度

【摘要】：尖晶石NiMn_2O_4(NMO)作为负温度系数热敏电阻,由于最佳的灵敏度和精确度以及最低成本的优势占有相当大的市场份额,在航空航天、深海探测、低温控制,温度精确测量、电路补偿、稳定电压、流量流速测量以及时间延迟等领域中广泛应用。本文首先概述了NiMn_2O_4和BiFeO_3的研究背景和研究现状,介绍了基于密度泛函理论的第一性原理和二维相关分析技术的背景理论知识。在此基础上,利用第一性原理和二维相关分析技术定量地研究处理了NiMn基尖晶石材料和Fe基钙钛矿材料的温度依赖的电子转移机制;结合尖晶石和钙钛矿型材料电子转移的特点,采用微生物合成方法制备了Fe基复合异质结Fe_3O_4-BiFeO_3,研究了复合界面间电子的转移。首先,在宽温区(50~1500 K)范围内,利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,采用广义梯度近似GGA+U和缀加平面波法,计算过渡金属V/Nb/Ta取代尖晶石NiMn_2O_4阳离子,非金属F/Cl/Br/I取代NiMn_2O_4氧原子的温度依赖电子转移机制。同时借助于二维相关分析技术定量处理热积累对原子静态轨道波动的影响。结果表明:V/Nb/Ta八面体取代降低了d轨道的自旋极化,促使原有d-pσ*(Mn-O)轨道杂化方式向d-pπ*和σ*(Nb/Ta-O)轨道杂化方式转变;V/Nb/Ta四面体取代不仅保持八面体内Mn-3d-O-2p d-p轨道杂化,而且增强了四面体内d-p轨道杂化,从而提高电子转移率(0.09→0.11 e);F/Cl/Br/I氧位取代形成了F/Cl/Br/I-2p-O-2p p-p杂化轨道,诱导氧空位的形成,促使Mn电荷歧化Mn3+→Mn4+-Mn3+。其次,为了后期模拟计算复合(尖晶石-钙钛矿)材料的电子转移特性,我们在宽温区范围内(50~1500 K),利用第一性原理和二维相关分析技术定量地研究了Fe基钙钛矿BiFeO_3(BFO)在不同温度区域内电子转移特性;以及过渡金属V/Nb/Ta和非金属F/Cl/Br/I取代BFO的温度依赖的电子转移机制。结果表明:热积累加速了O-2p轨道的劈裂,引起了Fe的电荷歧化Fe-3d5→Fe-3d5-d0(Fe3+→Fe2+-Fe3+)。随着温度升高,温度依赖的电子转移由三重简并的t2g轨道间的跃迁(铁磁相)转变为二重简并的eg轨道间的跃迁(反铁磁相)。V/Nb/Ta取代BFO中阳离子,降低了d轨道的自旋极化强度,促使原有p-p(Bi-O)与d-p的(Mn-O)π*和σ*轨道杂化方式向p-p(Bi-O)与d-p(Nb/Ta-O)的σ*轨道杂化方式转变,电学性质由导体转变为半导体;F/Cl/Br/I取代有效调控了空的d0和O-2p4轨道间的强的共价杂化作用,由X-p5-O-2p4形成的杂化轨道诱导Fe电荷歧化Fe3+-3d5-Fe2+-3d5-d0,自旋动量相互抵消促使BFO铁磁相的转变(铁磁相-反铁磁相)。最后,在前面模拟尖晶石和钙钛矿材料的计算结果基础上,我们设计尖晶石-钙钛矿复合异质结。然而,在模拟计算中很难将Mn基尖晶石和Fe基钙钛矿复合界面进行优化,而且在实验验证过程中很难合成Mn基尖晶石-Fe基钙钛矿的复合异质结。为此,针对尖晶石型半导体铁氧体Fe_3O_4(带隙:1.9~2.7eV)较好生物相容性,结合钙钛矿型BiFeO_3薄膜优良的光学特性。我们利用微生物方法合成制备成分可控的(XZn)Fe_2O_4-BiFeO_3铁基异质结。同时,结合第一性原理验解释了尖晶石型铁氧体(XZn)Fe_2O_4与钙钛矿型BiFeO_3复合的新型表面间电子的跃迁机制。结果表明:尖晶石(XZn)Fe_2O_4铁氧体嵌入钙钛矿型BiFeO_3薄膜,由于Fe-O-O-Bi和Fe-O-Fe界面耦合作用,不仅增大了载流子迁移率和光生载流子的复合,降低(XZn)Fe_2O_4铁氧体的禁带宽度(1.56eV);而且扩大了(XZn)Fe_2O_4-BiFeO_3铁基异质结的表面积,拓宽荧光强度的发光区域(扩大到了100nm)。
【关键词】：密度泛函理论 二维相关分析技术 电子转移机制 微生物实验方法 荧光强度
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.1;TB303
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-9
• 1、引言9-16
• 1.1 NTC热敏电阻的物理特性与应用领域9-10
• 1.2 NTC热敏材料的导电机理10-13
• 1.2.1 尖晶石NiMn_2O_4导电机理及其研究进展10-12
• 1.2.2 钙钛矿BiFeO_3导电机理及其研究进展12-13
• 1.3 本文的研究目的、意义与内容13-16
• 1.3.1 研究目的及意义13-14
• 1.3.2 研究内容14-15
• 1.3.3 创新点15-16
• 2、背景理论16-25
• 2.1 基于密度泛函理论的第一性原理16-20
• 2.1.1 Hartree-Fock近似17
• 2.1.2 Kohn-Sham方程17-19
• 2.1.3 交换关联相互作用19-20
• 2.2 基础理论简介20-25
• 2.2.1 价键理论20-22
• 2.2.2 二维相关分析方法22-25
• 3、掺杂对锰基尖晶石NTC热敏材料导电机制的影响25-51
• 3.1 NiMn_2O_4的导电机制25-32
• 3.1.1 计算模型与计算方法25-26
• 3.1.2 结果与讨论26-30
• 3.1.3 小结30-32
• 3.2 B位取代对NMO的导电机制32-39
• 3.2.1 计算模型与计算方法32-33
• 3.2.2 结果与讨论33-38
• 3.2.3 小结38-39
• 3.3 A位取代对NMO的导电机制39-46
• 3.3.1 计算模型与计算方法39-40
• 3.3.2 结果与讨论40-45
• 3.3.3 小结45-46
• 3.4 O位取代对NMO的导电机制46-51
• 3.4.1 计算模型与计算方法46-47
• 3.4.2 结果与讨论47-49
• 3.4.3 小结49-51
• 4、掺杂对铁基钙钛矿材料导电机制的影响51-67
• 4.1 BiFeO_3温度依赖的电子转移机制51-57
• 4.1.1 计算模型与计算方法51-52
• 4.1.2 结果与讨论52-56
• 4.1.3 小结56-57
• 4.2 V、Nb、Ta掺杂BFO的导电机制57-62
• 4.2.1 计算模型与计算方法57-58
• 4.2.2 结果与讨论58-61
• 4.2.3 小结61-62
• 4.3 卤素取代BFO的导电机制62-67
• 4.3.1 计算模型与计算方法62-63
• 4.3.2 结果与讨论63-66
• 4.3.3 小结66-67
• 5、BiFeO_3-Fe_3O_4复合材料的理论与实验研究67-78
• 5.1 引言67-68
• 5.2 试验与理论方法68-71
• 5.2.1 实验细节68-70
• 5.2.2 计算细节70-71
• 5.3 结果与讨论71-77
• 5.3.1 Fe_3O_4-BiFeO_3复合材料实验分析71-74
• 5.3.2 Fe_3O_4-BiFeO_3复合材料理论分析74-77
• 5.4 小结77-78
• 6、结论与展望78-80
• 7、攻读硕士期间发表学术论文及科研成果80-83
• 8、参考文献83-93
• 致谢93-94

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本文编号：1076693