第一性原理论文：BiFeO_3结构与性能的第一性原理研究
Nb、K掺杂对BiFeO_3晶格结构、磁性和光学性质的影响
Nb、K掺杂对BiFeO_3晶格结构、磁性和光学性质的影响BiFe O3是一种在室温条件下同时具有磁有序和铁电有序的多铁性材料,在自旋电子器件等器件制造方面,具有广泛的应用前景。
然而,由于BiFeO3的纯相样品制备难、漏电流较大和铁磁性太弱,使得BiFeO3难以进入实际应用。
研究表明,离子掺杂可以改善BiFeO3的磁学性能,但是,其物理机理,却还未完全弄清,导致说法不一。
本文利用溶胶凝胶发制备了Nb、K掺杂的BiFeO3纳米颗粒样品,并系统研究对BiFe O3的结构、磁性和光学性质的影响,主要方面如下:1)通过溶胶-凝胶法制备出无杂相的BiFe1-xNbxO3和Bi1-xKxFe1-xNbxO3样品,为研究异价离子掺杂BiFeO3的晶体结构、磁学和光学性质提供了有利的前提条件。
2)少量Nb掺杂使BiFeO3的晶格常数a、c,晶胞体积V和Fe-O-Fe键角发生微弱的变化,其中Fe-O 键长增大,Fe-Bi键长缩短,Fe-O6八面体的扭曲畸变基本保持不变。
同时Nb掺杂对纳米晶粒的尺寸会产生显著影响。
XPS显示掺杂样品中,Nb离子以+4价和+5价的形式共存。
Nb掺杂导致样品磁性增强,主要是由于样品晶粒的尺寸效应引起的。
紫外-可见吸收光谱显示禁带宽度随着Nb掺杂浓度x的增大而减小。
3)与Nb掺杂类似,Nb、K共掺杂使BiFeO3的晶格常数a、c,晶胞体积V和Fe-O-Fe键角发生微弱的变化,其中Fe-O键长增大,Fe-Bi键长缩短,Fe-O6八面体的扭曲畸变基本保持不变。
XPS显示掺杂样品中,因为Nb、K价态补偿,掺杂不会改变Fe2+和Fe3+的含量比。
对比K单掺杂Bi1-xKxFeO3样品的拉曼光谱可知,Nb掺杂是引起Bi-O键变化的主要原因。
Nb、K共掺杂导致样品磁性增强,不能简单地归因于样品晶粒尺寸变化,以掺杂离子为中心形成的束缚磁极化子可能是其磁性增强的主要原因。
铁磁电复合材料BiFeO3的研究及发展
目录摘要 (1)关键词 (1)Abstract (1)Key words (1)1引言 (1)2 BiFeO3的结构 (2)3 BiFeO3陶瓷与薄膜的制备工艺 (2)3.1 BiFeO3陶瓷的制备 (2)3.2 BiFeO3薄膜的制备 (3)4 掺杂改性 (4)4.1稀土掺杂改性 (4)4.2 BiFeO3与其他ABO3型钙钛矿结构的铁电材料固熔体系 (5)5 结论 (6)参考文献 (6)铁磁电复合材料BiFeO及研究进展3姓名：武少华学号：20075040098单位：物理电子工程学院专业：物理学指导老师：秦萍职称：副教授摘要：BiFeO3是一种室温下同时具有铁磁性和铁电性的铁磁电材料之一，在信息存储、传感器和自旋电子器件等方面都有潜在的应用前景。
本文综述了BiFeO3的结构、陶瓷与薄膜的制备工艺、掺杂改性，并展望了BiFeO3铁磁电材料今后的研究和发展趋势。
关键词：铁磁电材料；掺杂改性；磁电效应Progress in Study on Ferroelectromagnetics BiFeO3 Abstract: BiFeO3 is one of ferroelectromagnetics with ferromagnetism and ferroelec- tricity at room temperature，which has potential applications in the information storage，sensors，spin electronic devices，and other aspects．This paper not only discusses the struc- ture，ceramics and thin film technology，doped of BiFeO3，but also prospects BiFeO3 ferroelectromagnetics for future research and development trends．Keywords: Ferroelectromagnetics；Doped to change the nature；Magnetoelectric effect1 引言铁磁电材料是一种因结构参数有序而导致铁电性、磁性同时存在并具有磁电耦合性质[1]的材料，它在探索新型信息存储器、自旋电子器件和设备等方面有着潜在的应用前景。
BaZrO3结构和性能的第一性原理研究
2
j ( i )
从头算是狭义的第一性原理，也称Hartree-Fock方法，它在计算过程 中不使用经验参数，只使用一些最基本的实验数据，如光速、电子和 核的质量、电荷、Planck常量，求解Hartree-Fock-Roothaan方程组即 可得到单电子波函数用基函数展开的系数及其本征值。 优缺点：
Density of States(electrons/eV) S
P
d
Full
-20
-10
Energy/eV
0
10
图3.2 BaZrO3的总态密度和分波态密度
从图中可以看出，费米能级附近的导带主要由p态 轨道构成， 其宽度约为4.25eV，且分裂为三部分，其中能量较高的部分宽度 约为1.77eV，其余能量相对较低的两部分峰值接近，宽度约为 0.99eV和1.59eV；价带主要由p轨道构成，其宽度为4.17eV。
[2 VKS [ (r)]] i (r ) Ei i (r )
VKS
E XC [ ' ] V (r ) dr ' (r ) rr ' (r ' )
'
Hohenberg-Kohn定理和Koho-sham方程构成了现代密度泛函 理论(DFT)的基础。在Kohn-Sham方程的框架下，最难处理的 多体问题被简化成了一个没有相互作用的电子在有效势场中 运动的问题，这个有效势场包括了外部势场以及电子间库仑 相互作用的影响。
根据交换关联势与交换关联能的关系，在Kohn-Sham方程中的交换关联 势可以近似写为：
Fe3C化合物电子结构、磁性和硬度的第一性原理研究
1. 计算方法
第一性原理计算采用剑桥大学研发的 CASTEP (Cambridge Serial Total Energy Package) 软件包[4]，交换关联势选用广义梯度近似(GGA)[5]，离子势选用超软(ultra soft)势[6]。为了获 能量收敛精度为 1 × 10-5eV， 得计算精度与收敛速度的平衡， 平面波截断能量 Eout =300eV， 作用在每个原子上的力不大于 0.03eV/Å，内应力不大于 0.05GPa，原子位移不大于 0.001Å。 布里渊区积分采用 Monkhorst-pack 特殊 k 点[7]对第一布里渊区求和，正交和六方结构的 k 点 网格划分分别为 5×4×6 和 6×6×6。为研究 Fe3C 的磁性性能，采用了自选极化近似。
表 3 Fe3C 化合物中 C-Fe 键的集居数和键长 Tab.3 Populations and bond length of C-Fe bond in Fe3C compound
晶体结构
键
集居数
键长/ Å
正交
C-Fe
0.37 0.31 0.33 0.32 0.11 0.29
1.94640 1.97305 1.98181 1.98794 2.38971 1.89886
-4-
30
16 14
DOS (electrons/eV)
DOS (electrons/eV)
-3-
total 4.71 7.74 7.81
电荷/e
磁距/μB
C
正交
-0.71 0.26 0.19
-0.24 -0.16[9]， -0.06[10] -0.22 ， 1.88 1.85 ，1.95[9]，1.74[10] 1.96
BiFeO3电子结构的第一性原理研究
第２５卷第５期２００８年１０月原子与分子物理学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＴＯＭＩＣＡＮＤⅣＩｏＩＥＣＩ兀。
ＡＲＰＨＹＳＩＣＳＶ０１．２５Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２００８文章编号：１０００—０３６４（２００８）０５．１２８１．０６ＢｉＦｅ０３电子结构的第一性原理研究吴转花，王英龙，褚立志，刘保亭，傅广生（河北大学物理与科学技术学院，保定０７１００２）摘要：采用广义梯度近似下的密度泛函理论计算了铁电相ＢａＰｅ０３以及顺电相ＢｉＲ如的轨道占据数、电子云重叠布居数、净电荷分布和态密度．结果表明，ＢｉＦｄＯ§晶体出现铁电性的主要原因是：Ｆｅ原子的３ｄ轨道和。
原子的２Ｐ轨道杂化．而且由于两相晶体结构上的差异，铁电相ＢｉＦｅＯａ原子间的共价性和离子性相对顺电相ｎａ珀３３增强了。
态密度图在价带区基本相同，但是在导带区具有一定的差异性．关键词：铁电性；态密度；第一性原理；Ｂａ７ｅ０３中图分类号：０４６９文献标识码：ＡＦｉｒｓｔ－ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｓｔｕｄｙｆｏｒｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＢｉＦｅ０３ＷＵＺｈｕａｎ－Ｈｕａ，ＷＡＮＧＹｉｎｇ－Ｌｏｎｇ，ＣＨＵＬｉ—Ｚｈｉ，ＬＩＵＢａｏ－Ｔｉｎｇ，ＦＵＧｕａｎｇ－Ｓｈｅｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉ－ＩｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂ＆ｘｔｉｎｇ０７１００２，（、ｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙｕｓｉｎｇｄｅｎｓｉｔｙ－ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｔｈｅｏｒｙｉｎｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｇｒａｄｉｅｎｔａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ（ＧＧＡ），ｔｈｅｏｒｂｉｔｐｏｐｕｌａ—ｔｉｏｎｓ，ｏｖｅｒｌａｐｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｓ，ｖａｌｅｎｃｅｃｈａｒｇｅｓ，ｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｔａｔｅｓｉｎｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｎｄｐａｒａｅｌｅｃｔｒｉｃＢｉＦｅ０３ｗｅｒｅｅａｌ—ｃｕｌａｔｅｄ．ＩｔｗａｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＢｉＦｅ０３ｃｏｕｌｄｂｅａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｔｏｔｈｅｏｒｂｉｔａｌｈｙ—ｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎｏｆ２ｄｏｒｂｉｔｏｆＦｅａｔｏｍａｎｄ２ｐｏｒｂｉｔｏｆｏｘｙｇｅｎａｔｏｍ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ａｓｆｌｒｅｓｕｌｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔＷＯｐｈａｓｅｓ，ｉｏｎａｎｄｅｏｖａｌｅｎｅｙａｒｅｅｎｈａｎｃｅｄｉｎｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＢｉＦｅ０３ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｐａｒａｅｌｅｃ—ｔｒｉｃＢｉＦｅ０３．ＤｅｎｓｉｔｙｏｆｓｔａｔｅｓｉｎｔＷｏｐｈａｓｅｓｗｅｒｅｂａｓｉｃａｌｌｙｔｈｅｓａｍｅｉｎｖａｌｅｎｃｅｂａｎｄｄｉｓｔｒｉｃｔ，ｂｕｔｔｈｅｙｗｅｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｂａｎｄｄｉｓｔｒｉｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｔａｔｅ，ｆｉｒｓｔ—ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ＢｉＦｅ０３１引言近年来，由于多铁材料在许多可控性器件上的潜在应用［卜７Ｉ，越来越多的人对此类新材料感兴趣．多铁材料有时也被称为铁磁电材料，同时具有铁电性、铁电磁性和铁弹性［８，９｜．这种所谓的磁电材料在自然界是比较少见的，ＢｉＦｅ０３就是其中一种．钙钛矿型ＢｉＦｅ０３在居里温度（Ｔｃ＝１１０３Ｋ）和尼尔温度（ＴⅣ＝６４３Ｋ）之间同时具有铁电性和铁磁性［１０】．正是由于这种铁电耦合性，使其具有很高的应用价值．要更好地利用这种材料，就必须了解其各种性质．研究ＢｉＦｅ０３晶体的电子结构，可以更深入地了解晶体结构的变化与原子态密度的变化关系．对以后的研究工作有很重要的参考和指导作用．虽然已经有文献报道，ＢｉＦｅ０３晶体在室温下具有自发极化，其主要原因是：室温下的晶体结构为扭曲了的斜方六面体，是“赝立方”结构沿（１１１）ｅ方向形变的结果Ｌ１１】．但是对结构的收稿日期：２００７．１１．２７基金项目：９７３计划项目（２００７Ｌｓ７００８１０）；国家自然科学基金（５０５７２０２１）；河北省自然科学基金（Ｅ２００５０００１３０）；国家人事部留学人员择优资助（Ｇ０５．０６）；教育部留学回国人员科研启动基金（２００５．５４６）；河北大学科研基金资助的课题作者简介：吴转花（１９８２一），女，硕士，从事功能材料性能研究。
F掺杂四方钙钛矿结构BiFeO3的铁磁性和电子结构第一性原理研究
Ａｐｒｉｌꎬ２０１９
Ｆ 掺杂四方钙钛矿结构 ＢｉＦｅＯ３ 的铁磁 性和电子结构第一性原理研究
魏丽静１ ꎬ郭建新２
(１. 华北电力大学科技学院ꎬ保定 ０７１０５１ꎻ２. 河北大学物理科学与技术学院ꎬ保定 ０７１００２)
摘要:采用第一性原 理 方 法ꎬ 研 究 了 Ｆ 掺 杂 四 方 钙 钛 矿 结 构 ＢｉＦｅＯ３ ( Ｔ￣ＢｉＦｅＯ３ ) 的 铁 磁 性 和 电 子 结 构ꎮ 基 于 Ｔ￣ ＢｉＦｅＯ３ 的四种磁结构ꎬ本文计算了两种可能的掺杂位置ꎬ确定了最稳定的 Ｔ￣ＢｉＦｅＯ３ － ｘ Ｆｘ 结构ꎮ 研究发现ꎬ不同 Ｆ 的 浓度对 Ｔ￣ＢｉＦｅＯ３ 的总磁矩影响不同ꎬ当掺杂为 Ｔ￣ＢｉＦｅＯ２. ７５ Ｆ０. ２５ 时ꎬ其总磁矩最大ꎬ为 ２ μＢꎮ 进一步分析发现ꎬＴ￣ ＢｉＦｅＯ３ － ｘ Ｆｘ 的总磁矩主要来源于 Ｆ 原子及其最近邻的 Ｆｅ 原子ꎮ 电子结构分析表明ꎬ费米能级附近的杂质态主要 是掺杂后 Ｆｅ ３ｄ 轨道和 Ｏ ２ｐ 轨道向高能级移动而形成的ꎮ 另外ꎬＴ￣ＢｉＦｅＯ２. ７５ Ｆ０. ２５ 具有比较大的极化强度ꎮ 关键词:Ｆ 掺杂ꎻ铁酸铋ꎻ第一性原理ꎻ铁磁性
ＷＥＩ Ｌｉ￣Ｊｉｎｇ１ ꎬ ＧＵＯ Ｊｉａｎ￣Ｘｉｎ２
(１. Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１０５１ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ ２. Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００２ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Fe3C化合物电子结构、磁性和硬度的第一性原理研究
1.5
PDOS (electrons/eV)
Spin up
Fe1-d Fe2-d
PDOS (electrons/eV)
1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -10
C-p
2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -10 -5 0 5 10 Spin down C-p Fe-d Spin up
别为 12 和 4，六方结构的 m 和 n 值分别为 6 和 2。 由表 1 可以看出，两种结构的晶格常数计算结果与实验值接近，略微偏小是由于广义梯 度近似对晶格常数过分修正的结果。由能量结果可知，正交结构的 Fe3C 更易形成且更加稳 定，这是通常形成的 Fe3C 都是正交结构的原因。
表 1 Fe3C 化合物的晶格常数、能量和磁距 Tab.1 Lattice parameters, energy and magnetic moment of Fe3C compound
d 轨道的电子增加。C 与 Fe 原子的轨道杂化作用，使得 C 原子具有了磁性，Fe 原子的磁距
小于体心立方结构 Fe 的磁距 2.22μB。正交结构中各原子磁矩已有研究，但计算结果相互有 差异，而本文的计算与文献[2]接近，可能是两者的计算方法相同的原因。两种结构中 C 原 使得六方结构 Fe3C 化合物的总磁距也偏 子的磁距相同， 而六方结构中 Fe 原子的磁距较大， 大一些，如表 1 所示。
BiFeO_3晶体价键电子结构对铁电性质的影响
第２ ６卷
第１ 期
２ ０ １ ３年 １月
ＤＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ３ － ０ ９ ７ ２ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ １ ０
Ｂ ｉ Ｆ ｅ Ｏ ３晶体 价 键 电子 结 构 对 铁 电性 质 的 影 响
杨新建
（ 中国石油大学（ 华东 ）理学 院 ， 山东 青岛 ２ ６ ６ ５ ５ ５ ） 摘 要： 利用 固体与分子经验 电子理论（ Ｅ Ｅ Ｔ） 方法 ， 研 究得 到 了钙钛 矿型 单相 多铁 材料 Ｂ ｉ Ｆ ｅ Ｏ “ 赝 立方”
Ｙ ａ ｎ ｇ Ｘ ｉ ｎ ｊ ｉ ａ ｎ
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ（ Ｅ ａ ｓ ｔ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） ， Ｑ ｉ ｎ ｇ ｄ ａ ｏ ２ ６ ６ ５ ５ ５ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｅ ｍ ｐ ｉ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｓ ａ ｎ ｄ ｍ ｏ ｌ ｅ ｃ ｕ ｌ ｅ ｓ（ Ｅ Ｅ Ｔ ） ，ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｌ ｅ ｎ ｃ ｅ — ｂ ｏ ｎ ｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ
０ 引 言
钙钛矿型多功能材料 Ｂ ｉ Ｆ ｅ Ｏ 由于在室温附近同时具有 铁 电性和铁磁性 ， 并且两种 性质通 过耦合 可 以实 现相互调
ｉ ｎ ｇ 价键理论 和能 带理论 的基 础上 提出 的， 被 广泛应 用
于复杂 晶体 的价 键 电子 结构 计算． 在Ｅ Ｅ Ｔ中， 常用 键距 差 方法 （ Ｂ Ｌ Ｄ ） 计算分子或 固体 的价 键 电子结 构 ， 求 出分 子或
bifeo3极化结构
Bifeo3极化结构1. 引言Bifeo3（化学式：BiFeO3）是一种具有多铁性质的材料，具有较高的极化性能。
其极化结构的研究对于了解多铁材料的性质和应用具有重要意义。
本文将对Bifeo3的极化结构进行全面详细、完整且深入的介绍。
2. Bifeo3的基本信息Bifeo3是一种钙钛矿结构的材料，由铋（Bi）和铁（Fe）元素组成。
其晶体结构为立方晶系，空间群为R3c。
Bifeo3的晶格参数为a=b=c=3.96Å，α=β=γ=90°。
该材料具有较高的居里温度，约为1100K。
3. Bifeo3的极化性质Bifeo3具有多铁性质，即同时具有铁电性和铁磁性。
其铁电性质使其具有自发极化，可在外电场作用下产生极化。
而铁磁性质使其具有自发磁化，可在外磁场作用下产生磁化。
Bifeo3的极化主要来源于铁离子（Fe3+）的离子配位。
在Bifeo3的晶体结构中，铁离子被八个氧离子（O2-）包围，形成八面体的配位结构。
由于铁离子的不对称分布，导致晶体整体具有极化性。
4. Bifeo3的极化结构Bifeo3的极化结构可以通过极化矢量来描述。
极化矢量是一个矢量量，表示极化的方向和大小。
在Bifeo3中，极化矢量的方向与晶体的对称性有关。
具体而言，Bifeo3的极化矢量沿着[111]方向，即晶体的对角线方向。
Bifeo3的极化结构还可以通过极化强度来描述。
极化强度是一个标量量，表示极化的强度大小。
在Bifeo3中，极化强度的大小与极化矢量的大小成正比。
通过实验测量，可以得到Bifeo3的极化强度为0.9C/m2。
5. Bifeo3的极化机制Bifeo3的极化机制是一个复杂的过程，涉及到多种因素的相互作用。
其中，离子配位、晶格畸变和电子自旋耦合是影响Bifeo3极化的重要因素。
首先，离子配位是Bifeo3极化的基础。
铁离子的不对称分布导致晶体具有极化性。
其次，晶格畸变也对Bifeo3的极化起到重要作用。
晶格畸变可以调控铁离子的位置和配位，影响极化强度和方向。
BiFeO_3中各离子在铁电相变中作用本质的第一性原理研究_孙源
实验 上通过 X 射线和 中子衍 射[ 8 —11] , 确定了 BiFeO3 铁电相的结构是由立方钙钛矿结构发生高度 畸变而形成的菱方对称性结构 , 其空间群为 R3c , 图 1 为 R3c 铁电相的晶胞结构图 .
参数[ 11] 相比照 , 如表 1 所示 .两者间的误差很小 , 不 足以改变物质性质 , 因此计算结果是可信的 .
孙 源1) 黄祖飞1) 范厚刚1)2) 明 星1) 王春忠1) 陈 岗1)
1)(吉林大学材料科学与工程学院材料科学系 , 长春 130012) 2)(吉林师范大学凝聚态物理研究所 , 四平 136000)
(2008 年 6 月 24 日收到 ;2008 年 8 月 14 日收到修改稿)
1期
孙 源等 :BiFeO3 中各离子在铁电相变 中作用本质的第一性原理研究
1 95
图 2 由 Pm3 m 相晶胞(a)向 R 3c 相类钙 钛矿结构晶胞(b)发生结构 畸 变的示意图
BECs 定义为在没有宏观外电场的作用时自发 极化对原子位移的一阶导数 , 或者说是电场与电场 施加于零位移离子的作用力之间的线性有序关系的 系数[ 20 —22] .BECs 值越大 , 说明由于原子位移所引发 的电场施加在特定离子上的作用力越大 , 体系从而 也就更趋向于极化基态 .已有的对铁电钙钛矿氧化 物的铁电性的研究表明[ 16 , 21 —24] , 铁电相变时发生去 中心位移 , 对铁电 畸变起主 要作用的 离子的 BECs 值远大于这一离子的一般形式电荷(简写为 FCs). 表 2 中各离子的 BECs 与 FCs(Fe , Bi , O 分别是 +3 , +3 , -2)差别 较大 .其 中 Bi 离子 的 BECs 与文献 [ 16 , 17 , 25] 中的计算值符合 , 但是 Fe 和 O 的 BECs 远小于上述文献中的计算值和其 FCs , 除了计算方 法和误差的原因 , 一方面说明 Fe 对于去中心化畸变 几乎没有贡献 , 另一方面也说明 Fe-3d 电子轨道与 O 的电子 轨道间有很强的杂化 .Bi 的 BECs 远大于 其他离子 , 并且比其自身的 FCs 高出 50 %到 70 %, 说明体系中铁电畸变的主要贡献来自于 Bi 原子的 位移 , 其他原子的位移是在 Bi 原子位移的影响下为 结构稳定而做的相应的调整 .
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第一性原理论文：BiFeO_3结构与性能的第一性原理研究【中文摘要】多铁材料是一种同时具有铁电性、铁磁性或铁弹性的材料,作为新型多功能材料,它可以用来转换能量,传感信号,检测磁（电）场等。
BiFeO3是一种典型的单相多铁材料,研究表明BiFeO3的铁电极化起源于Bi3+的6s2孤对电子,但它的铁磁性就比较复杂,并非简单的反铁磁有序,而是具有空间调制的螺旋磁结构。
正是由于其结构的特殊性,而引起了人们广泛地研究。
本文利用第一性原理研究BiFeO3的结构与性能,主要内容如下:1.不同的强关联势对BiFeO3结构的影响;从电荷密度和态密度分析出BiFeO3各态之间的相互作用,并给出铁电性的起因。
BiFeO3存在着两种扭曲形式,在方向上Bi3+相对FeO6八面体位移和FeO6八面体沿极化方向上的反铁扭曲旋转,通过这两种扭曲方式衍生出多种结构,并得出七种不同空间群的BiFeO3结构特征（R3c, R3m, P4mm, Cm, Fm3m, R3m和R3c）。
2.引入两个共顶点四面体模型更加清晰地描述BiFeO3的铁电转变。
在铁电转变过程中,顺电相的能量、原子占位和极化极化强度都存在突变,对于在反铁磁相下顺电相的O原子磁矩具有微小的自旋阻挫,这是导致铁电转变过程中出现突变的原因。
在顺磁相中铁电相和顺电相之间的能量差为140 meV左右,估算出铁电转变温度TC大约为1500 K。
分别用玻恩有效电荷和贝里相位计算得出其铁电极化强度分别为86.2和98.0μC/cm2。
3.总结四方相（P4mm） BiFeO3的基本性质,从态密度和玻恩有效电荷中得到四方相的的铁电性是由Fe原子和顶角O原子之间成键引起的,采用贝里相位方法得出稳定的四方相极化强度为152.76μC/cm2。
采用海森堡交换模型分析应变对磁有序的影响,在较小的晶格常数下,C-AFM比较稳定,随着晶格常数的增加,其磁有序转变为G-AFM。
还得出随着晶格常数a的增加,c/a比值相应变小,而其极化强度却逐渐减小。
最后构造四方相方向的BiFeO3表面模型,通过比较界面能和电荷密度的分布情况得出FeO2的截面要比BiO的稳定。
【英文摘要】The multiferroic materials have been coined to describe materials which have simultaneous ferroelectricity, ferromagnetism or ferroelasticity. As new multifunctional materials, the potential applications include energy conversion, sensing signal and detection of magnetic （electric） field. BiFeO3 is a typical single-phase multiferroic material. The research shows that the origin of ferroelectricity is due to the Bi-6s2 lone pairs. The ferromagneticity is more complicated. It is not a simple antiferromagnetic order, but it has the helical magnetic structure of spatial modulation. BiFeO3 has attracted extensive research because of its special structure.In this thesis, our purpose is to study the structure properties of BiFeO3 with the help of the first-principles study. The following major elements include:1. The structures of BiFeO3are influenced by different strong correlation potential. The interaction among different states is summarized by charge density and density of states, and the origin of ferroelectricity is also concluded. There are two types of structural distortions, the relative displacement between FeO6 ocahedra and Bi3+ along [111] and the rotation of the FeO6 ocahedra about the [111] axis. Several structures can be derived from these two structural distortions. We investigate the structural characteristics of seven different phases of BiFeO3 including R3c, R3m, P4mm, Cm, Fm3 m, R3 m and R3 c.2. We introduce corner-sharing double-tetrahedrons of FeO6 unit to describe the ferroelectric switching in the rhombohedral phase of BiFeO3. During the ferroelectric switching we find abrupt changes in the atomic positions, total energy and ferroelectric polarization in the paraelectric phase. In the antiferromagnetic phase the magnetic moments of O atoms have spin frustrations in the paraelectric phase, giving rise to abrupt changes. The energy difference between the ferroelectric ground state and the paraelectric state with paramagnetic phase is about 140 meV, which corresponds to the transition temperature, 1500 K. The ferroelectric polarization is obtained, 86.2 and 97.6μC/cm2 by born effective charges andBerry phase, respectively.3. The properties of tetragonalBiFeO3 （P4mm） is summarized in detail. The ferroelectric of tetragonal structure originates from the covalent bond between apical O and Fe by born effective charges and density of states （DOS）. The ferroelectric polarization calculated by Berry phase is 152.76μC/cm2. The Heisenberg model is applied to analyze how the strain influences the magnetic ordering. C-type antiferromagnetic is stable in the low in-plane lattice constant. There is a transformation in the magnetic ordering associated with in-plane lattice parameter increases, fromC-type to G-type antiferromagnetic. With increasing thein-plane lattice parameter the ferroelectric polarization andc/a can be correspondingly decreased. At last the BiFeO3 （001）surface of P4mm is built to study the section property. The FeO2 interface is more stable than BiO interface by interfacialenergy and charge density.【关键词】第一性原理 BiFeO3 电子结构结构转变铁电转变磁有序【备注】索购全文在线加好友：1.3.9.9.3.8848同时提供论文写作一对一指导和论文发表委托服务【英文关键词】First-principles calculation BiFeO3Electronic structure Structural transition Ferroelectric switching Magnetic ordering【目录】BiFeO_3结构与性能的第一性原理研究摘要4-5ABSTRACT5-6第一章绪论10-27 1.1 前言10-12 1.2 BiFeO_3 的性能与特点12-16 1.2.1 BiFeO_3 的晶体结构12 1.2.2 BiFeO_3 的铁电性12-13 1.2.3 BiFeO_3 的铁磁性13-14 1.2.4 BiFeO_3 其它丰富的物理特性14-16 1.3 研究现状16-19 1.3.1 BiFeO_3 的实验制备17-18 1.3.2 计算研究进展18-19 1.4 本文研究的目的及意义19-21参考文献21-27第二章第一性原理计算方法概述27-39 2.1 Hartree-Fock 方法27-29 2.1.1 绝热近似27-28 2.1.2 Hartree-Fock 近似28-29 2.2 密度泛函理论简介29-32 2.2.1 Thomas-Fermi-Dirac 近似29 2.2.2 密度泛函理论定理29 2.2.3 Kohn-Sham 方程29-31 2.2.4 局域密度近似和广义梯度近似31-32 2.3 平面波方法32-33 2.4 赝势与PAW 方法33-34 2.4.1 赝势33-34 2.4.2 投影缀加波方法34 2.5 结构优化34-36参考文献36-39第三章BiFeO_3的基本结构性质39-54 3.1 计算软件与细节39-40 3.1.1 VASP 简介39 3.1.2 计算细节39-40 3.2 R3C 结构的BiFeO_3 性质40-46 3.2.1 强关联势对BiFeO_3 的影响40-44 3.2.2 R3c 结构BiFeO_3 的分析44-46 3.3 BiFeO_3 的相转变46-50 3.4 本章小结50-51参考文献51-54第四章三方相 BiFeO_3的铁电性54-62 4.1 BiFeO_3 的极化强度54-56 4.1.1 玻恩有效电荷(Born effective charges, BECs)54-55 4.1.2 贝里相位(Berry phase)55-56 4.2 BiFeO_3 的铁电转变路径56-60 4.3 本章小结60-61参考文献61-62第五章四方相 BiFeO_3的结构特征62-72 5.1 反铁磁有序对四方相的影响62-65 5.1.1 模型的建立62-63 5.1.2 四方相基本结构分析63-65 5.2 应变对四方相的影响65-68 5.2.1 海森堡磁交换模型65-67 5.2.2 应变对铁电极化的影响67-68 5.3 [001]方向上的 BiFeO3 表面模型68-70 5.4 本章小结70-71参考文献71-72第六章结论及展望72-74 6.1 结论72-73 6.2 展望73参考文献73-74致谢74-75攻读学位期间的研究成果75。