多鐵材料鐵酸鉍摻雜改性的第一性原理研究.pdf

1、塊狀BiFeO3(BFO)是ABO3扭曲鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，空間群是161_R3c相。鐵酸鉍在同一相中同時具有鐵電性、鐵彈性和鐵磁性。多鐵材料鐵酸鉍鐵電轉(zhuǎn)變溫度TC=1103 K，G型反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度TN=643 K。對于鐵酸鉍來說，其內(nèi)部的極化序和磁性相互耦合，會產(chǎn)生磁電耦合效應(yīng)。鐵酸鉍的這些優(yōu)點使其在智能設(shè)備、磁電傳感器、自旋電子設(shè)備、存儲器的材料制備上有巨大的應(yīng)用前景。但是，鐵酸鉍結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性、較弱的磁性以及較高的漏電流，這些缺點會阻礙鐵

2、酸鉍磁電耦合效應(yīng)的強度。A位陽離子一般情況貢獻極性，B位陽離子一般情況貢獻磁性，我們可以在A、B位替代摻雜合適的元素來改善鐵酸鉍的性能。本文的研究內(nèi)容是用基于第一性原理的理論計算通過A、B位替代摻雜鐵酸鉍性能的改變。我們建立系列體系，研究體系的結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和磁性。研究的主要結(jié)果如下：
　?。?）采用基于GGA+U的密度泛函理論的第一性原理計算分析純鐵酸鉍和堿土金屬Ca摻雜BiFeO3在結(jié)構(gòu)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)方面的性質(zhì)，

3、研究表明表明Ca替代BiFeO3中Bi的位置，晶胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從單相的斜六面體R3c變?yōu)閮上喙泊娼Y(jié)構(gòu)（菱形R3c相和非極化立方 FM-3M相）。同純鐵酸鉍相比較，Bi位用Ca原子來替代會減小晶胞的尺寸，F(xiàn)e-O-Fe鍵之間的角度減小，F(xiàn)e-O鍵之間的長度增加。純鐵酸鉍的帶隙為2.60 eV，摻雜會帶來費米能級的降低，從帶隙可以看出Ca摻雜的BiFeO3具有典型的半金屬性質(zhì)，自旋向上的態(tài)密度有一個較大的帶隙1.92 eV，自旋向下的態(tài)密

4、度帶隙為零。由于價帶處Ca引起態(tài)密度的增加吸收峰向較低的能量處藍移。從光學(xué)性質(zhì)可以分析電子結(jié)構(gòu)的內(nèi)在機理，研究各軌道電子間的相互作用，Ca摻雜后光學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化。BFO的靜態(tài)介電泛函為7.6，BFCO的靜態(tài)介電泛函為16.1。此外，Ca摻雜增強了鐵酸鉍的鐵磁性，主要原因是尺寸效應(yīng)和Fe-O-Fe鍵角的改變導(dǎo)致自旋的傾斜。
　?。?）用第一性原理討論稀土元素La，Gd，Er，Lu（按照每單胞0.2的量摻雜）和過渡金屬Co共摻Bi

5、FeO3的性質(zhì)。從計算所得的態(tài)密度結(jié)果表明，稀土元素Er、La、Gd、Lu的4f和4d態(tài)與O2-離子的2p態(tài)，Bi+離子的6p態(tài)，F(xiàn)e3+離子和Co3+離子的3d態(tài)之間存在雜化。La摻雜 BiFe0.9Co0.1O3（BFCO）引起帶隙能量降低到1.71 eV，Er摻雜使帶隙能量降低到0.80 eV，使體系變?yōu)榘虢饘偬匦裕籊d和Lu摻雜增強體系的金屬性，BLuFCO和BGdFCO的態(tài)密度圖和能帶圖說明Lu和Gd元素?fù)诫s使體系從半導(dǎo)體狀態(tài)

6、變?yōu)閷?dǎo)體狀態(tài)。BEFCO，BLaFCO，BGdFCO和BLuFCO的整體磁矩分別為4.901，4.896，9.268和4.816 B。Bi0.8La0.2Fe0.9Co0.1O3、Bi0.8Gd0.2Fe0.9Co0.1O3、 Bi0.8Er0.2Fe0.9Co0.1O3、Bi0.8Lu0.2Fe0.9Co0.1O3的靜態(tài)介電常數(shù)1(0)分別為7.1，7.4，9.2和10.5。此外摻雜明顯增強反射率和折射率，稀土（尤其是Lu(4f14)