掺杂原子的电子自旋态对铁酸铋改性的第一性原理研究

论文摘要

在过去的几十年中,铋铁氧体作为一种多铁性材料脱颖而出,并且因其独特的性质而备受关注。块状BiFeO3（BFO）的基态具有菱方扭曲的钙钛矿结构,这种结构源自Bi阳离子位移和FeO6八面体倾斜。因此,该氧化物构成了极少数的情况,即铁电性和反铁磁性共存于低温。大的自发极化（90-100μC/cm2）和倾斜的G型反铁磁结构使BFO成为最具话题的多铁性材料。众所周知,离子取代是改变材料性质的有效方法。由于弱铁磁性限制了BFO的实际应用,许多尝试都集中在Bi或Fe位置进行化学掺杂以调制其螺旋磁结构。在各种掺杂剂中,过渡金属（TM）离子（通常在Fe位点掺杂）由于交换相互作用和自旋多样性而对磁性有着重要的影响,引起了各界的关注。本文主要采用第一性原理计算方法,并结合实验手段,研究过渡金属掺杂BFO对体系性质的影响。研究的体系以及主要结论概括如下:（1）本项工作中,一个30原子的BFO超晶胞被构建用于第一性原理计算,其中有一个Fe原子被Ni原子取代,相当于掺杂浓度为16.7%。计算采用的平面波方法为投影缀加波（PAW）,交换关联泛函采用的是广义梯度近似的GGA-PBE方法。从计算结果可以看出,中间自旋态（IS）的Ni2+可以破坏BFO的自旋结构,并引入净磁矩。此外,虽然掺杂过后BFO体系的绝缘性遭到破坏,表现出半金属性,但因而具有了电子输运方面的潜在应用前景。（2）通过第一性原理计算方法在Co3+掺杂的BFO中测试了Co3+的各种自旋态,旨在揭示Co3+自旋态转变在引入亚铁磁性中的作用。结果发现低自旋（LS）Co3+对总磁矩的贡献远大于高自旋（HS）Co3+（3.914μB）。计算结果表明非磁性的LS Co3+可以破坏BFO的摆线自旋结构。此外,LS Co3+具有空的3d轨道,从而增强了p-d的共价性并增强了局部的亚铁磁性。Co3+自旋态跃迁的可以从结构上归因于CoO6八面体的变形。为了在实验中探究Co3+掺杂的影响,8%Co3+掺杂和未掺杂的BFO粉末被制备出来。从磁滞回线可以看出Co3+的取代导致磁化的轻微增加,即HS Co3+对BFO的磁性作出有限的贡献。（3）本项工作中,一个50原子的BFO超晶胞被构建用于第一性原理计算,其中有一个Fe原子被Co原子取代,一个Bi原子被Dy原子取代,相当于掺杂浓度为10%。其中,Co原子的磁矩分别被设置为与相邻Fe原子平行以及反平行。计算和实验结果均表明,Dy原子以及Co原子的掺入,使得体系的晶格发生畸变,从而改变了反铁磁自旋排列,并且形成Co和Fe离子的局部铁磁耦合,从而有效地增强了磁性（6.9μB）。

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第一章绪论

1.1 多铁性材料概述

1.1.1 铁电性

1.1.2 铁磁性

1.2 铁酸铋的结构、性质及应用

1.3 铁酸铋的掺杂研究

1.3.1 过渡金属掺杂

1.3.2 氧位掺杂

1.3.3 稀土、过渡金属共掺

1.4 晶体场相关理论

1.5 本文主要研究内容

第二章理论计算方法

2.1 第一性原理

2.1.1 薛定谔波动方程

2.1.2 Hatree-Fork近似

2.1.3 Hohenberg-Kohn定理

2.2 密度泛函理论

2.2.1 Kohn-Sham方程

2.2.2 交换关联泛函

2.3 平面波基组与贋势方法

2.4 VASP程序包和其他常用软件

2.4.1 MS简介

2.4.2 VESTA简介

第三章过渡金属Ni掺杂BFO对其性能的影响

3.1 模型建立与计算方法

3.2 计算结果讨论

3.3 本章小结

第四章过渡金属Co掺杂BFO对其性能的影响

4.1 研究内容与研究方法

4.2 计算结果讨论

4.3 实验结果讨论

4.4 本章小结

第五章稀土元素Dy和过渡金属Co共掺BFO的性质分析

5.1 研究内容与研究方法

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

第六章总结与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 范潆方

导师: 李兴鳌

关键词: 第一性原理,铁酸铋掺杂,电子自旋态

来源: 南京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学

单位: 南京邮电大学

分类号: O469;O614.532

DOI: 10.27251/d.cnki.gnjdc.2019.000057

总页数: 60

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