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多铁BiFeO_3及其掺杂的第一性原理研究

作　者: 温梦仙
导　师: 赵庆勋
学　校: 河北大学
专　业: 光学工程
关键词: 第一性原理多铁BiFeO3 掺杂电子结构
分类号: O481
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

BiFeO3(BFO)是目前在室温以上能够同时具有铁电有序和G型反铁磁有序的多铁材料,其铁电居里温度Tc=1103K,奈尔温度TN=643K。由于电荷有序与自旋有序的共存及其交互作用,使其成为最具有发展潜力的新型多功能材料。实验结果表明掺杂可以对其改性,提高其铁电性铁磁性,但微观机理尚不清楚。所以本论文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法计算了铁磁铁电体BFO及其掺杂材料的电子结构和光学性质,探索其微观机制,主要结果如下：1、BFO是间接带隙材料,使用剪刀算符后Eg=2.5eV;Mulliken电荷布居给出BFO中Fe3+离子的自旋为2.13 h；光学性质计算得出,BFO的折射系数n=2.5,静态介电常数ε1(0)=6(≈n2=6.25),与实验相吻合。2、采用LSDA+U方法和GGA+U方法计算了BFO母体的电子结构和自旋磁矩。计算结果表明,使用GGA+U方法计算的结果与实验值更接近。这说明BFO中存在强相互关联势,在这种体系中不能忽略电子间的相互作用力库仑力。3、使用稀土元素La3+离子替代A位Bi3+离子。计算结果表明：La的掺入使Bi 6s态向低能方向移动,有利于铁电性的形成；而且La的掺入破坏了原有的螺旋磁结构,使材料呈现出弱磁性。4、使用磁性离子替代B位的Fe3+离子。计算得到：材料仍然是间接带隙,其中只有Co的杂质能级填充了BFO的带隙；磁性离子替代后也使Bi 6s态向低能方向产生移动；并且由于掺入的磁性离子自旋与Fe3+的自旋不同,所以有利于铁磁性的形成。使用非磁性离子Ti4+替代Fe3+离子,发现Ti4+离子的替代使Bi 6s态向低能方向移动,有利于铁电性的形成；但是Ti4+掺杂后同时使Fe 3d态发生大的晶体场劈裂,离域性增强,不利于铁磁性的形成。所得结果对深入研究多铁材料铁电性铁磁性的微观机理具有参考价值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章引言  9-13
  1.1 铁磁电材料及其微观机制  9-11
  1.2 第一性原理在多铁中的应用  11-12
  1.3 本论文开展的研究内容  12-13
第2章理论计算方法  13-18
  2.1 密度泛函理论简介(Density Function Theory,DFT)  13-15
  2.2 局域密度近似和广义梯度近似  15-17
  2.3 计算软件简介  17-18
第3章 BiFeO_3的第一性原理计算  18-29
  3.1 理论模型与计算方法  19-20
  3.2 BFO的电子结构和光学性质  20-24
  3.3 不同计算方法对BFO电子结构的影响  24-28
  3.4 小结  28-29
第4章掺杂对BiFeO_3电子结构和光学性质的影响  29-45
  4.1 A位替代掺杂计算  29-32
  4.2 B位替代掺杂计算  32-43
  4.3 小结  43-45
结束语  45-46
参考文献  46-50
硕士期间发表论文  50-51
致谢  51

多铁BiFeO_3及其掺杂的第一性原理研究

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