ABO_3型铁电体中的缺陷及缺陷引发的多铁性质研究

发布时间：2017-06-20 10:02

  本文关键词：ABO_3型铁电体中的缺陷及缺陷引发的多铁性质研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：铁电材料中的缺陷会影响其自发极化和外电场下的响应性质,造成电疲劳、老化等现象;另一方面,替位、空位等点缺陷能够改变材料的原子结构和电子性质,在铁电材料中引入磁性和其它新奇的性质。在本文中,我们通过第一性原理计算的方法,研究了传统铁电材料ABO_3型氧化物中的畴壁结构、氧空位缺陷和掺杂对其铁电性质的影响,并探讨了利用氧空位调制实现多铁性的途径。首先,我们研究了典型钙钛矿铁电材料BaTiO_3的180度畴壁结构。长期以来,人们认为180度铁电畴壁是单纯的伊辛型畴壁,我们通过在四方相BaTiO_3中建立沿着高指数面的畴壁,发现(100)畴壁具有伊辛-尼尔特性,而(410)畴壁同时具有伊辛-尼尔-布洛赫特性。另外,铁电畴壁的尼尔型分量使畴壁带有极化电荷,因而畴壁更容易吸引带电的缺陷。我们还发现,不同取向的180度畴壁,其尼尔分量大小不同,因此带有极化电荷的密度不同。其次,我们研究了应变下的超短周期PbTiO_3/SrTiO3超晶格,关注氧空位(VO)对超晶格的影响。发现当超晶格的面内晶格常数介于PbTiO_3和SrTiO_3各自的晶格常数之间时,氧空位最容易形成。氧空位能在Ti-VO-Ti的方向引起尾对尾的极化模式,抵消这个方向的极化,从而将体系的总极化钉扎到特定方向。另外,氧八面体只有在绕着Ti-VO-Ti方向的转动受到抑制。因此,可以通过氧空位来调制超晶格沿特定方向的性质。然后,我们从两个方向出发,探究在ABO_3型铁电体中引入多铁性的可能并设计相应的方案。首先在传统的铁电体BaTiO_3中通过非金属元素掺杂的方法引入d0磁性。将C原子掺入BaTiO_3的体相中,发现单个C掺杂能在体系中引入2μB的磁矩。然而由于多个C原子掺杂到体系中时,容易聚合在一起,使得Ti的d轨道被占据,消除了Ti-O相对位移所驱动的铁电性。因此只有单C掺杂的方法能引入多铁性。我们还研究了六方型铁电-反铁磁耦合的多铁材料YMnO_3。发现在MnO面的氧空位会影响Mn原子的位置,但是不能改变体系的磁性;而在Mn上方的氧空位能稳定一种特定的Mn面内磁构型,使体系沿c轴具有非零的净磁矩,有希望实现铁磁性。因此,可以通过应变等促进特定氧空位的形成,在YMnO_3材料中实现铁磁-铁电耦合。
【关键词】：铁电 多铁 第一性原理计算 氧空位 超晶格
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O469;O483
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-27
• 1.1 铁电的发现及应用9-11
• 1.1.1 历史和现状9-10
• 1.1.2 应用10-11
• 1.2 钙钛矿型氧化物11-17
• 1.2.1 ABO_3结构11-14
• 1.2.2 几种典型的钙钛矿型氧化物14-16
• 1.2.3 应变效应16-17
• 1.3 多铁材料17-23
• 1.3.1 定义及应用17-18
• 1.3.2 典型的多铁材料18-21
• 1.3.3 单相多铁超晶格21
• 1.3.4 多铁复合异质结21-23
• 1.4 缺陷、铁电畴及畴壁动力学23-25
• 1.4.1 点缺陷23-24
• 1.4.2 电偶极矩缺陷24-25
• 1.4.3 铁电畴壁的本质25
• 1.5 研究目标25-27
• 第2章 第一性原理计算27-35
• 2.1 引言27
• 2.2 多体问题27-28
• 2.3 绝热近似28-29
• 2.4 密度泛函理论29-32
• 2.4.1 Hohenberg-Kohn定理29
• 2.4.2 Kohn-Sham方程29-30
• 2.4.3 交换关联泛函30-31
• 2.4.4 LDA+U方法31-32
• 2.5 密度泛函微扰理论32-33
• 2.6 现代极化理论33-35
• 第3章 BaTiO_3中180°畴壁的第一性原理研究35-48
• 3.1 引言35-36
• 3.2 计算模型和方法36-39
• 3.2.1 铁电畴壁的构造36-39
• 3.2.2 第一原理计算设置39
• 3.3 计算结果与讨论39-46
• 3.3.1 180°（100）铁电畴壁40-42
• 3.3.2 180°（410）铁电畴壁42-45
• 3.3.3 应变对畴壁的影响45-46
• 3.4 本章结论46-48
• 第4章 氧空位和外延应力的协同作用对PbTiO_3/SrTiO_3超晶格的影响48-64
• 4.1 引言48-50
• 4.2 计算模型和方法50-52
• 4.3 计算结果与讨论52-62
• 4.3.1 完美超晶格中的反常铁电性52-54
• 4.3.2 氧空位的形成能54-55
• 4.3.3 氧空位对极化的影响55-58
• 4.3.4 氧空位对氧八面体转动的影响58-61
• 4.3.5 铁电极化和氧八面体转动的关系61-62
• 4.4 本章结论62-64
• 第5章 碳掺杂在BaTiO_3中引起的磁性64-73
• 5.1 引言64-65
• 5.2 计算模型和方法65-67
• 5.2.1 掺杂结构65-66
• 5.2.2 第一原理计算设置66-67
• 5.3 计算结果与讨论67-72
• 5.3.1 单C原子掺杂对BaTiO_3的影响67-68
• 5.3.2 双C原子掺杂对BaTiO_3的影响68-72
• 5.4 本章结论72-73
• 第6章 氧空位对多铁YMnO_3的磁性调控73-83
• 6.1 引言73-74
• 6.2 计算模型和方法74-76
• 6.3 计算结果与讨论76-81
• 6.3.1 完美YMnO_3的铁电和反铁磁性质76-77
• 6.3.2 氧空位对YMnO_3结构的影响77-79
• 6.3.3 氧空位对YMnO_3电子结构和磁性的影响79-81
• 6.4 本章结论81-83
• 第7章 结论83-85
• 参考文献85-98
• 致谢98-100
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果100

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈志雄;铁电体的低温性质[J];压电与声光;1986年03期

2 刘一声;第六届国际铁电体会议[J];压电与声光;1986年04期

3 徐文兰,陆卫;多近邻作用双原子链和一维铁电体晶格振动[J];红外与毫米波学报;2000年05期

4 徐鹏翔,彭匡鼎,姚裕昌;铁电体多层膜异质结构的朗道理论[J];云南大学学报(自然科学版);2001年03期

5 徐文兰,李志峰,陆 卫;半导体和铁电体集成体系晶格振动[J];红外与毫米波学报;2002年S1期

6 陈朗;滕晓琴;鲁建英;冯长根;;并联铁电体冲击去极化输出电流实验和计算[J];高压物理学报;2007年01期

7 杨槐馨;秦元斌;田焕芳;马超;曾伦杰;张颖;李建奇;;电子铁电体研究进展[J];物理学进展;2011年02期

8 史隆培;许煜寰;;铁电体电畴转动的电极化过程[J];中山大学学报(自然科学版);1978年04期

9 李德宇,聂淑仪,江乃雄,李庆芝;钙钛矿型铁电体的分布规律及其宏观铁电性能的预测[J];科学通报;1981年04期

10 王永令,袁万宗,何国荣,林盛卫,凌荣华,瞿翠凤;铁电体爆-电换能的实验研究[J];物理学报;1983年06期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 隋岩;刘冬生;胡荣华;;基于取代苯甲酰脱氢枞酰胺的新型有机铁电体[A];中国化学会第28届学术年会第8分会场摘要集[C];2012年

2 鲁圣国;;驰豫型铁电体材料的巨电卡效应和电致伸缩性能[A];2013广东材料发展论坛——战略性新兴产业发展与新材料科技创新研讨会论文摘要集[C];2013年

3 杨文煌;李从周;;铁电体钼酸钆的布里渊散射[A];全国第三届光散射学术会议论文摘要[C];1985年

4 Ni Yong;Chen Haitao;Shi Yuping;He Linghui;Su Aijia;;基于纳米极化区翻转动力学的弛豫铁电体介电响应模型[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

5 苗鸿臣;李法新;;新的铁电体被翻转谱压电力显微术发现了吗?[A];北京力学会第20届学术年会论文集[C];2014年

6 袁万宗;;爆炸铁电体电源[A];中国工程物理研究院科技年报（2000）[C];2000年

7 田晓宝;杨新华;操卫忠;;不同应变率条件下铁电体180°畴结构的力学行为模拟[A];Proceedings of the 2010 Symposium on Piezoelectricity,Acoustic Waves and Device Applications[C];2010年

8 方菲;桂红;张孝文;;锆钛酸铅镧弛豫铁电体中的玻璃态极化行为[A];94'全国结构陶瓷、功能陶瓷、金属/陶瓷封接学术会议论文集[C];1994年

9 丁恩燕;陈洪斌;陆巍;陈志刚;刘天文;;铁电体触发开关实验[A];中国工程物理研究院科技年报（2005）[C];2005年

10 叶万能;卢朝靖;;Bi_4Ti_3O_(12)基铁电体的结构对称性、畴结构与畴壁可动性的透射电镜研究[A];第十六届全国晶体生长与材料学术会议论文集-06晶体结构、缺陷和表征[C];2012年

中国博士学位论文全文数据库 前7条

1 李梦蕾;ABO_3型铁电体中的缺陷及缺陷引发的多铁性质研究[D];清华大学;2015年

2 张明俊;铁电体中极化团簇动力学的相干光实验研究[D];中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）;2015年

3 阿里（R A Ali）;[D];山东大学;2005年

4 吴忠庆;复合钙钛矿型弛豫铁电体介电性质的理论研究[D];清华大学;2003年

5 谢琳;典型钡基铁电及弛豫铁电体电子显微学及第一性原理研究[D];清华大学;2012年

6 侯如钟;铋层状化合物的结构与铁电、介电性能[D];浙江大学;2005年

7 陈晓琴;铋系层状钙钛矿铁电体的磁性掺杂及多铁性能研究[D];华中科技大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 顾洪良;不同裂纹电边界条件对铁电体非线性行为的影响[D];浙江大学;2013年

2 黄晨娇;铌酸锶钡非充满型钨青铜陶瓷的结构与性能[D];浙江大学;2015年

3 侯泽鑫;PT基弛豫铁电体结构与性能的研究[D];西安工业大学;2015年

4 黄攀;铁电体材料高介电常数测试技术研究[D];西安电子科技大学;2008年

5 侯建伟;电子型铁电体的介电调谐性的研究[D];湘潭大学;2010年

6 胡晓琴;钙钛矿型铁电体原子间相互作用势的优化及应用[D];湘潭大学;2010年

7 王发栋;铁电体性能测试系统优化设计[D];西安科技大学;2014年

8 王赛;新型铁电体的构建与弛豫性研究[D];北京工业大学;2014年

9 袁敏;量子起伏对几种先兆性铁电体介电性质的影响[D];山东大学;2005年

10 崔春玲;铁电体畴结构和极化反转的计算机模拟[D];山东大学;2006年

  本文关键词：ABO_3型铁电体中的缺陷及缺陷引发的多铁性质研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：465215