几种多铁性材料结构与性质的第一性原理计算

【摘要】：多铁性材料是指同时具有两种或两种以上铁性的功能材料。这种材料不但具有母相的特性，更重要的是电性和磁性相互作用会产生附加功能，因此这种材料在许多高技术领域备受关注。虽然多铁性材料的理论研究和制备技术已经取得了重大突破，但在实际应用中还面临诸多挑战。本论文就是针对多铁性材料的研究现状进行一些有益的探索和尝试。 本文使用Accelrys公司的Material Studio软件中的castep模块，采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理方法来计算体系的电子结构和基本性质，计算过程中采用考虑自旋极化的广义梯度近似和平面波超软赝势法。主要研究内容和结论如下： 一、沿用传统的磁性元素掺杂铁电体获取多铁性材料的思路，选用磁性较强的过渡金属元素Mn掺杂铁电性较强的四方相BaTiO3。主要计算纯BaTiO3和Mn掺杂浓度为12.5%、25%和50%的四种体系，通过对电子结构和性质的对比发现：磁性元素Mn的掺入会使体系具备磁性，且Mn含量越高，体系磁性越强；掺杂体系仍然保持四方相BaTiO3原有铁电性。但研究还发现，掺杂体系的稳定性差，铁磁性弱，这便减少了它的实际应用价值，也对我们转换研究思路起到了推动作用。 二、为了得到稳定性强、且性能优越的多铁性材料，以基态下的单相双钙钛矿Bi2NiMnO6为主要研究对象，对其优化前后的铁磁态和亚铁磁态进行了比较系统地对比研究。分析可知：基态下的Bi2NiMnO6优先以铁磁半导体方式存在；磁性来源于Ni2+-O-Mn4+的铁磁超交换作用,且Ni-Mn键长与材料的磁性强弱密切相关；Bi-6p电子轨道与O-2p电子轨道之间的杂化作用是Bi2NiMnO6发生铁电畸变的根源。 三、针对多铁性材料体系中铁电序-铁磁序稳定共存和耦合增强这一重要科学问题，选用具有磁性的Co2+和Cu2+对双钙钛矿Bi2NiMnO6进行掺杂改性。通过对掺杂前后体系磁性的研究发现：Co掺杂Bi2NiMnO6的性能优于Cu掺杂体系，不但有较强的稳定性，并且铁磁性有显著提高。研究结果表明，进一步优化的Bi2NiMnO6有望成为电子元器件和自旋电子学领域新型多铁性材料。 本论文主要针对多铁性材料的电子结构和基本性质进行了第一性原理计算，初步摸索出了多铁性体的两种获取思路及其性能优化的办法，并通过理论计算得到了两种不同构型多铁性体的原型。从理论设计到计算分析，研究的内容比较全面的涵盖多铁性材料的基本问题，并且得到一些有益的结论，这都对未来多铁性材料的研究和应用产生积极影响。