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若干铁电体的磁学性质和极化特性的第一性原理研究

作　者: 曹丹
导　师: 蔡孟秋
学　校: 湖南大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 第一性原理 铁电体 自发极化 空位 磁性 多铁隧道结 临界尺度 磁电耦合
分类号: O482.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


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/BaTiO3/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BaZnF4的电子结构,运用Berry phase方法计算了自发极化。发现了BaZnF4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BaZnF4的自发极化。预测了BaZnF4的自发极化值为12.6μC /cm2。2.对BaTiO3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/BaTiO3/Co的Ti-O铁电位移、电子结构和磁学性质。隧道结Co/BaTiO3/Co中BaTiO3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。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
插图索引  10-11
附表索引  11-12
第1章 绪论  12-19
  1.1 铁电材料简介  12-15
    1.1.1 铁电材料的特征  12-13
    1.1.2 铁电材料的发展  13-14
    1.1.3 铁电材料的分类和结构  14-15
  1.2 缺陷对铁电体性能的影响  15
  1.3 多铁材料的类型和发展现状  15-17
    1.3.1 单相多铁材料  16
    1.3.2 掺杂和空位诱导磁性产生的多铁材料  16-17
    1.3.3 铁电-铁磁复合体系  17
  1.4 本论文研究的意义、目的和内容  17-19
第2章 理论基础和计算方法介绍  19-27
  2.1 绝热近似  19-20
  2.2 单电子近似  20
  2.3 密度泛函理论  20-23
    2.3.1 Hohenberg-Kohn 定理  20-21
    2.3.2 Kohn-Sham 方程  21-22
    2.3.3 交换关联泛函  22-23
  2.4 赝势方法  23-24
  2.5 VASP程序包介绍  24-27
第3章 铁电体 BaZnF_4 电子结构和自发极化的研究  27-34
  3.1 引言  27
  3.2 计算方法和模型  27-29
  3.3 结果和讨论  29-33
    3.3.1 晶体结构及结构优化  29
    3.3.2 铁电体 BaZnF_4 的动态 Born 有效电荷  29-31
    3.3.3 铁电体 BaZnF_4 的电子结构性质  31-32
    3.3.4 铁电体 BaZnF_4 的自发极化  32-33
  3.4 本章小结  33-34
第4章 非磁性铁电体 BaTi0_3 中空位诱导磁性的研究  34-45
  4.1 引言  34-35
  4.2 计算方法和模型  35
  4.3 结果及讨论  35-44
    4.3.1 结构优化  35-37
    4.3.2 空位形成能及结构的稳定性  37-38
    4.3.3 空位结构的磁学性质  38-39
    4.3.4 氧空位结构的电子结构  39-40
    4.3.5 钛空位结构的电子结构  40-43
    4.3.6 钡空位结构的电子结构  43-44
  4.4 本章小结  44-45
第5章 多铁隧道结Co/BaTi0_3/Co 的磁电效应和铁电临界尺度的研究  45-54
  5.1 引言  45-46
  5.2 计算方法和模型  46-48
  5.3 计算结果和分析  48-52
    5.3.1 多铁隧道结Co/BaTi0_3/Co 中铁电势垒铁电性的临界尺度  48-49
    5.3.2 多铁隧道结Co/BaTi0_3/Co 的界面成键  49-50
    5.3.3 多铁隧道结Co/BaTi0_3/Co 的磁学性质  50-52
    5.3.4 多铁隧道结Co/BaTi0_3/Co 的磁电耦合系数  52
  5.4 本章小结  52-54
总结与展望  54-56
参考文献  56-65
附录 A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）  65-66
致谢  66

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 固体性质 > 磁学性质
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