钙钛矿材料/Fe3O4异质界面的电子结构和磁性

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由于具有高介电常数、压电性和铁电性等性质,钙钛矿材料成为应用最广泛的电子陶瓷材料之一。多功能氧化物Fe3O4与钙钛矿材料复合形成异质结构,表现出丰富的物理性质。近年来,通过应力或电场等手段调控界面已经成为材料科学与凝聚态物理领域的研究热点之一。本文利用密度泛函理论计算了BaTiO3/Fe3O4和CH3NH3PbI3(MAPbI3)/Fe3O4界面的电子结构。系统地研究了外加电场和双轴应力对异质界面的电子结构和磁性的影响。首先,研究了BaTiO3/Fe3O4异质界面的电子结构和磁性。所有模型(TiO-FeA、OTi-FeA、TiO-FeBO和OTi-FeBO)均可以稳定存在,且TiO-FeBO模型是最稳定的构型。在TiO-FeBO模型中,BaTiO3表现出100%自旋极化率。外加-100到1000kV/cm电场下,界面Ti原子保持自旋极化状态;在-500和-1000 kV/cm下,界面Ti原子的自旋极化消失。Fe3O4/BaTiO3界面的自旋极化转变与BaTiO3的铁电性有关。其次,研究了BaTiO3/Fe3O4界面的应力效应,考虑了OTi-FeBO和TiO-FeBO两种模型。在应力作用下的OTi-FeBO模型中,观察到了界面Fe3O4发生金属-绝缘体转变和轨道重构现象。在-6%、-4%、-2%和2%应力下,OTi-FeBO模型保持半金属性;在4%和6%应力下,半金属性消失;在2%应力下,界面Fe原子出现轨道重叠现象。金属-绝缘体转变可归因于界面八面体畸变引起的t2g轨道劈裂。最后,计算了MAPbI3/Fe3O4异质界面的电子结构。所有模型(PbI2/FeA、MAI/FeA、PbI2/FeBO和MAI/FeBO)均可以稳定存在,PbI2/FeA是最稳定的构型。PbI2/FeA异质结中,Fe3O4从半金属转变为自旋相关半导体,自旋向上和自旋向下的带隙分别为1.20和0.75 eV。外电场可以调控PbI2/FeA模型的能带结构。在500 kV/cm电场下,PbI2/FeA模型中,Fe3O4出现了直接带隙到间接带隙的转变。Fe3O4自旋向上能带会从直接带隙转变为间接带隙,而自旋向下能带的变化趋势恰好相反。
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