论文部分内容阅读
过渡金属化合物可在包括电性，磁性和光学性质方面体现出特殊的物理特性，比如多铁、稀释磁性半导体和强铁磁等特性。多铁材料由于其独特的物理性质而受到广泛关注，特别是磁电耦合效应，可通过磁场来控制电极化或者通过电场来控制磁性，在磁存储方面具有潜在的应用价值。此外，过渡金属掺杂ZnO,ZnS，A1N，TiO2，In2O3等可以同时显示出铁磁性和半导体性质，在自旋电子器件方面具有潜在的应用价值。本文采用第一性原理计算的方法设计新型的磁电材料并分析了多铁材料的物理机制。同时系统地研究了掺杂ZnS，A1N的电子结构和磁性。获得了如下研究成果: 1.Ni掺杂BiCoO3磁性与铁电性质的第一性原理研究。采用密度泛函理论研究了过渡金属元素Ni掺杂BiCoO3的电子结构，磁性和铁电性。结果表明，Ni掺杂BiCoO3可提高体系的磁性，其磁结构为C型反铁磁排列。Bi—O，Ni—O，Co—O的杂化作用对C型反铁磁的基态结构起着重要的作用。掺杂后BiCo0.875Ni0.125O3每2×2×2个超胞的总磁矩达到1.02μB。考虑库仑相互作用对过渡金属d电子的影响，进一步使用DFT+U的方法计算Ni掺杂BiCoO3的体系,掺杂之后体系处于绝缘态。通过Berry-phase的方法，计算了BiCo0.875Ni0.125O3的铁电性，铁电极化达158.9μC·cm-2。掺杂Ni可使BiCoO3体系表现出亚铁磁性，同时可保持较好的铁电性。 2.第一性原理研究SrTi(1-x)MxO3(M=Cr, Mn，Fe，Co and Ni)的电子结构和磁性。采用第一性原理计算了3d过渡金属离子掺杂SrTiO3的电子结构和磁性。3d过渡金属离子掺杂SrTiO3表现出多种不同的磁性，Fe和Cr掺杂SrTiO3表现为铁磁性，Mn掺杂表现出反铁磁性，Co和Ni掺杂不表现磁性。但当Co的浓度增加到25％时，该体系表现出较强的铁磁性。电子结构的计算结果显示过渡金属离子的3d轨道和O离子的2p轨道发生强烈的杂化相互作用是该体系形成铁磁性的主要原因。 3.Pd掺杂ZnS电子结构和磁性的第一性原理研究。采用密度泛函理论广义梯度近似的方法研究了Pd掺杂ZnS的电子结构和磁性，结果表明一个单独的Pd原子掺杂2×2×2的ZnS超胞表现出半金属铁磁性质，其总磁矩可以达到2.0μB。局域磁矩之间强烈的铁磁耦合来源于Pd-4d和S-3p态之间的强烈杂化相互作用。Pd杂质之间强烈的间接长程铁磁相互作用来源于Pd离子和其最近邻S离子之间的强耦合Pd(4d)-S(3p)-Zn(3d)-S(3p)-Pd(4d)。以上结果表明，Pd掺杂ZnS是非常好的半金属铁磁性材料，可在自旋电子学器件方面具有潜在应用前景。 4.Pd(Rh)掺杂A1N电子结构和磁性的第一性原理研究。基于密度泛函理论的第一性原理计算的方法研究了Pd(Rh)掺杂A1N的磁性和电子结构。一个Pd(Rh)掺杂2×2×2A1N超胞，其磁矩分别为2.98μB，(2.0)μB每个超胞。能带结构表明Pd(Rh)掺杂A1N都是半金属。当用两个原子替代计算磁性能时，发现Pd掺杂A1N基态都是反铁磁排列，而Rh掺杂A1N表现出铁磁性。Rh掺杂AlN的铁磁基态符合p-d杂化相互作用机制。