ABX3型金屬化合物的磁性調(diào)制和光伏效應第一性原理研究.pdf

1、由于在A、B和X位可容納不同種類和不同數(shù)量的元素，因此，具有化學通式ABX3的金屬化合物十分龐雜。本論文的研究對象主要是過渡金屬氧化物和具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的金屬有機雜化化合物。這兩個體系都表現(xiàn)出非常豐富的物理和化學性質(zhì)，有著廣泛的應用前景，一直是凝聚態(tài)物理和材料科學的研究熱點。
　　從基礎研究的角度來看:過渡金屬氧化物通常包含不滿殼層的d軌道電子，此時電子間關聯(lián)作用不可忽視，屬于典型的強關聯(lián)電子材料。該體系中存在多重自由度（電子、軌道

2、、自旋和晶格）的相互耦合和競爭關系，從而使過渡金屬氧化物會表現(xiàn)出很多奇特的物性，如鐵電性、復雜磁性、軌道有序、螺旋磁序多鐵性等等，這些現(xiàn)象都涉及強關聯(lián)系統(tǒng)、磁電耦合等一系列凝聚態(tài)物理學基本問題。除此之外，額外維度的引入，比如應力、表面、摻雜等，可以調(diào)控過渡金屬氧化物的物性。因此，過渡金屬氧化物是近年來研究者一直關注的熱點和難點。對于金屬有機雜化化合物，它可以同時具備有機化合物和無機化合物的優(yōu)勢。一般來說，有機化合物結(jié)構(gòu)豐富，發(fā)光特性強;

3、無機化合物具有很好的熱力學穩(wěn)定性，蘊含豐富的磁性、介電性以及可調(diào)控的能帶結(jié)構(gòu)，因此，有機無機雜化化合物可以結(jié)合兩種化合物各自的優(yōu)勢表現(xiàn)出超過單純有機或無機化合物的獨特性質(zhì)。
　　從應用材料研究的角度來看:過渡金屬氧化物材料在存儲器、傳感器及探測器等領域有著很好的應用前景?；诮饘儆袡C雜化化合物的鈣鈦礦型太陽能電池最近幾年掀起了光伏領域的研究熱潮，獲得了研究者的廣泛關注。相比傳統(tǒng)半導體太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池不僅光伏性能優(yōu)異，而

4、且成本低、制作工藝簡單，有著巨大的商業(yè)應用潛力。
　　雖然在近十年對上述兩個體系的研究取得了豐碩的成果，但由于體系的復雜性，仍有很多問題值得我們?nèi)ヌ剿骱脱芯?。本論文基于密度泛函理論的第一性原理方法，分別對過渡金屬氧化物在外延應力下的磁性調(diào)控、鐵電過渡金屬氧化物的光伏效應和金屬有機雜化鈣鈦礦太陽能電池的表面性質(zhì)進行了詳細研究。整個論文的結(jié)構(gòu)如下:
　　第一章介紹了研究背景。首先概述了ABX3型金屬化合物的晶體結(jié)構(gòu)特征，然后重點

5、概括和介紹了目前ABX3型金屬化合物的磁性調(diào)控和光伏效應的研究現(xiàn)狀，最后提出了本論文的研究動機。
　　第二章對本論文中所涉及到的理論基礎作了介紹。首先介紹了材料的磁性，以及太陽能電池基礎、固體光吸收等與光伏性能相關的理論基礎。然后簡單介紹了本論文中采用的基于密度泛函理論的第一性原理計算的理論，包括第一性原理方法中的近似、密度泛函理論的發(fā)展及相關理論。
　　第三章研究了3d過渡金屬氧化物在外延應力下的結(jié)構(gòu)和磁性的變化。選擇了稀

6、土鈦酸鹽RTiO3作為研究對象，利用不同晶格失配度的襯底來調(diào)控薄膜受到的外延應力，進而來分析不同外延應力作用下薄膜的結(jié)構(gòu)和磁性變化。我們的研究預言了一種在稀土鈦酸鹽RTiO3體系中從未出現(xiàn)過的全新磁基態(tài)。
　　第四章探索了鐵電過渡金屬氧化物六方相錳氧化物的光伏性質(zhì)。以六方相TbMnO3為代表，利用第一性原理方法研究了其光學和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并且預測了光電轉(zhuǎn)化效率。研究結(jié)果表明六方相錳氧化物是一類有潛力達到較高光電轉(zhuǎn)化效率的鐵電光伏材