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《南京邮电大学》 2018年
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非金属与金属共掺杂铁酸铋的结构及性能研究

周云华  
【摘要】:铁酸铋(BiFeO3)是一种具备菱面体畸变的钙钛矿多铁材料,它的居里温度(Tc)高达1100 K,奈尔温度(TN)高达640 K,因此在室温下就可同时表现出铁电极化与铁磁性。由于具备特殊的螺旋G型反铁磁结构,BiFeO3表现出的宏观磁矩往往很弱,这使得它内部的磁电耦合也受到了限制,进而影响到其在电子存储等方向的应用。前人的研究表明,掺杂到BiFeO3的Fe位和O位均可有效地改善其磁结构,增强铁磁性。此外,BiFeO3属于一种带隙偏窄的半导体结构,在其Fe位和O位的掺杂还可有效地调节其能带结构,应用于光伏器件。因此,改善BiFeO3的磁性并扩展其在电子、光伏器件等方面的应用,是目前研究的热点之一。随着计算机与密度泛函理论的快速发展,第一性原理已成为多铁材料研究领域的一种常规方法。本文采用第一性原理,构建2×2×1的超胞,模拟了非金属(F、N、S)与不同金属共掺BiFeO3对其结构及性能的影响,有如下结论:(1)非金属(F、N、S)与Cr共掺均会改变BiFeO3的Fe-O-Fe键角及Fe-O键长,使结构由单斜变为三斜,并分别产生~5.9μB,~6.0μB及~7.8μB的净磁矩。F、N掺杂BiFe0.75Cr0.25O3分别引进了电子与空穴,使体系在距离费米能级很近的地方产生了杂化态,减小能隙。而N掺杂BiFe0.75Cr0.25O3使BiFeO3对可见光的吸收更加敏感,可应用于光伏器件等相应设备。(2)BiFe0.75Mn0.25O3及F、N、S掺杂BiFe0.75Mn0.25O3的体系分别呈现出~8.8μB、~8.7μB、~7.1μB、~8.7μB的净磁矩。而BiFe0.75Co0.25O3及F、N、S掺杂BiFe0.75Co0.25O3的净磁矩分别为4.9μB、~7.0μB、~6.9μB、~4.9μB,其中F、N掺杂可以明显增大BiFe0.75Mn0.25O3的磁矩,主要是由于F和N均能改变Co的电子态,增强Co的局域磁矩。此外,N掺杂BiFe0.75Mn0.25O3以及F掺杂BiFe0.75Co0.25O3均能使体系表现出半金属性,明显增大的折射率,且吸收边缘移动至接近能量为0处,明显拓展了其吸收谱的范围。(3)非等价M(M=Na+、Mg2+)掺杂BiFe0.75Cr0.25O3的体系分别表现为金属性和半金属性,这是由于空穴掺杂导致了O 2p、Bi 6s及Cr 3d电子态的移动。而F掺杂到M掺杂的BiFe0.75Cr0.25O3(BFMCO)中以后,非等价Na+和Mg2+掺杂导致的金属性与半金属性均消失,这为其应用于自旋电子学提供了可能。此外,非等价Na+和Mg2+掺杂的BiFe0.75Cr0.25O3表现出高的静介电常数、大的折射率以及可见光区增强的光响应,证明了其在光伏器件领域的应用。而F掺杂后会使Al3+掺杂的BFCO的吸收边缘左移,进一步增强其可见光区的光响应。
【学位授予单位】:南京邮电大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TQ135.32

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