若干铁电体的磁学性质和极化特性的第一性原理研究

【摘要】：铁电材料由于一系列优越的物理特性,受到了众多领域的关注。为了更好的全面了解各种铁电体的性质,我们对新型的非氧化物铁电体的铁电性的起源展开研究。在铁电材料的实验研究和生产实践中,不可避免的会形成空位等本征缺陷,将会影响其性能,甚至会产生一些有趣的像磁性或半金属一样的新特性。另外,构建铁电/铁磁多层结构也可让铁电材料获得磁性。本文采用第一性原理计算方法,研究了含氟铁电体的电子结构、化学键、自发极化等物理性质,钙钛矿铁电体空位体系的形成能和磁学性质以及多铁磁隧道结Co/BaTiO_3/Co中Ti-O铁电位移和磁学性质。并取得如下主要成果: 1.计算了铁电体BaZnF_4的电子结构,运用Berry phase方法计算了自发极化。发现了BaZnF_4的Born有效电荷表明Ba和F(3)大于名义上的离子电荷。Ba-F(3)之间表现出弱的共价关联的作用,同时Zn-F之间显示出明显的共价键的特征。二者有利于BaZnF_4的自发极化。预测了BaZnF_4的自发极化值为12.6μC /cm~2。 2.对BaTiO_3立方相和四方相中Ba,Ti和O三种空位的形成能,态密度、自旋电荷密度和bader电荷分布进行了计算。发现Ti和O空位能够诱导出磁性,而Ba空位不会诱导磁性产生。Ti空位诱导磁性的产生起源于Ti空位时部分极化的O 2p轨道。而且立方相的Ti空位体系展现出半金属磁性性质。O空位导致产生的磁性是由于最近邻空位的钛原子的未配对电子占据t2 g轨道引起的。 3.模拟分析了多铁隧道结Co/BaTiO_3/Co的Ti-O铁电位移、电子结构和磁学性质。隧道结Co/BaTiO_3/Co中BaTiO_3铁电性出现的临界尺度大约为1.6nm。发现Ti原子和O原子的诱导磁矩的产生和Co原子磁矩的变化主要是因为隧道结中铁电势垒的极化的存在打破了原有体系的对称平衡致使界面原子间的电荷重新分布。估算了隧道结表面磁电耦合系数大约为1.40×10-10 G cm2/V。