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《华中科技大学》 2011年
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多铁及半导体光催化材料光电磁性质研究

李能  
【摘要】:多铁材料由于同时具有铁电、铁磁或铁弹序等两种或两种以上的铁性有序的奇特性质可以被用来制备同时具有信息存储和处理功能的自旋电子学器件,而受到物理和材料科学等众多领域科学家的广泛关注。半导体光催化材料是解决当前人类社会环境污染和能源枯竭两大难题的有效途径之一。然而,自然界存在的多铁材料十分稀少,而且磁电效应弱;半导体光催化量子效率低,仅能吸收利用太阳光中的紫外光。因此,上述关键问题的解决是当前凝聚态物理和材料科学等领域研究的热点。 本文主要利用基于密度泛函理论的材料模拟软件WIEN2K和CASTEP,从理论上研究了多铁材料磁电耦合机理、多铁材料的表面和超晶格的磁电特性以及半导体光催化材料的掺杂改性。具体来讲,本文的研究内容主要有以下几个方面: 一、研究了多铁材料BaMnO3立方相的(001)表面电子结构和磁电输运性质:通过理论计算发现立方相BaMnO3的体材和有以Mn02的(001)面没有半金属性,而以BaO为端面的(001)面具有半金属性;且以BaO为端面的(001)面也是最稳定的。立方相BaMnO3结构简单,用途广泛,容易制备,是很好的磁电材料,这为多功能材料的集成提供了新的动力。 二、探讨了多铁超晶格BaMnO3/BaTiO3的几何稳定性和磁电特性:通过计算探讨分析,我们发现将立方相BaMnO3长在钙钛矿结构的BaTiO3上,形成BaMnO3/BaTiO3超晶格,立方相BaMnO3/BaTiO3超晶格的铁磁态就变成了稳定的基态,而且仍然保持了良好的半金属特性,并且讨论强关联对BaMnO3/BaTiO3超晶格的半金属特性的影响。 三、探究了单相多铁材料BiMn2O5中的电荷、轨道、自旋序以及电荷-轨道序和自发铁电极化的关系:揭示了BiMn2O5的自发铁电极化部分来自于它的电荷-轨道有序,为实验上设计新的多铁材料提供了理论上的指导。 四、研究了C/H共掺来提高锐钛矿Ti02的可见光下的响应:通过理论上计算,发现C/H共掺锐钛矿Ti02可以有效提高其在可见光下的响应和光催化效率。同时,C/H也比C单掺更容易植入到Ti02母相里去,这为实验上合成提供了可能。 五、我们系统研究了C以阴离子和C以阳离子的形式掺杂SrTiO3的几何结构和可见光下的催化效率,为实验现象给出了合理解释并为寻找新的有效的半导体催化剂指明了方向。 通过理论计算,我们得到了一系列重要的理论结果,为生产制备新型多铁性材料及多铁电子器件和提高半导体光催化效率提供了坚实的理论基础。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O472

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