BiFeO3中各离子在铁电相变中作用本质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的广义梯度近似方法和赝势平面波法,对多铁材料BiFeO3的铁电反铁磁相和可能的高温顺电相的电子结构进行了第一性原理研究.计算验证了BiFeO3基态为G型反铁磁有序,Fe离子的理论磁矩与实验值相符.铁电相变发生后,Bi-6s态和6p态发生了电荷转移,Bi-6s电子的作用更加明显.Born有效电荷的研究表明铁电畸变主要表现为Bi原子的位移,并且电极化强度计算值很好地符合薄膜实验结果.部分态密度的计算表明Bi-6p态的成键轨道与反键轨道间的能量劈裂大于其他电子态,使得Bi-6p态与O-2p态的共价作用选择性增强,这是铁电畸变的根本引发机理.Bi-6s电子因静电斥力而发生了极化,且没有参与Bi-6p轨道与O-2p轨道间的杂化,其电荷转移缘于其与O-2s,2p轨道发生了微弱的共价作用,并因此而强化了6s态电子的极化,这种共价作用更利于Bi-O间的相对位移,也是体系强电极化产生的原因.     

铁电体SrBi2Nb2O2电子能带结构的第一性原理研究

采用第一性原理的方法计算了SrBi₂Nb_2O.9（SBN）的顺电相、铁电相的电子结构.顺电相是间接带隙, 铁电相是直接带隙，它们的大小分别为1.57和2.23 eV.顺电相和铁电相的价带顶均主要来自于O₂p态的贡献.而顺电相和铁电相的导带底则分别来自Nb₄d态和Bi₆p态的贡献.计算表明SBN铁电相的低的漏电流与Bi 6p轨道有关.由顺电相到铁电相时，Nb₄d和O_{2 关键词： 顺电相 铁电相 态密度 电子能带结构}     

多铁材料BaCoF$lt;sub$gt;4$lt;/sub$gt;电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的广义梯度近似方法和赝势平面波法,对多铁材料BaCoF₄的铁电反铁磁相和可能的顺电相的电子结构进行了第一性原理研究.研究表明,反铁磁态很可能有利于低温下的铁电稳定性,F的强负电性使得体系内原子间主要是离子键相互作用.Co离子与在bc面上的F（2）,F（3）离子间完全是离子键作用,而与F（4）间有较弱的共价作用,与F（1）间作用介于两者之间.铁电畸变主要来源于Ba离子与F（1）, F（2）, F（3）离子沿着c轴方向的相对位移,F（4）对铁电性的贡献最少.铁电相中F（2）, F（3）离子的能量低于中心对称相,最大位移贡献者F（1）的化学键性由弱共价作用到离子键的变化也是最大的,这均有利于体系的稳定. 关键词： 第一性原理 铁电性 铁电畸变 反铁磁性     

BiFeO3晶体价键电子结构与铁电性质的关系

通过价键电子理论工具,计算得到了钙钛矿型单相多铁材料BiFcO₃"赝立方"顺电相和斜方铁电相价键电子结构,分析了价键电子结构变化时其铁电性的影响.计算结果表明,从顺电相到铁电相,BiFeO₃晶胞中各类化学键的键长和价键电子数变化各异,其中Bi-O键键长变短,价键电子数增多,共价性显著增强,对铁电相的稳定起到至关重要的作用;Fe-O键长呈现变大和变小两种结果,价键电子数都减小,共价性减弱.计算结果与第一性原理计算进行了比较.     

多铁材料HoMnO3中光学吸收和畸变驱动的第一性原理研究

六角钙钛矿结构锰氧化物HoMnO₃磁电效应的研究近年来已成为多铁性材料研究中极其重要的一个方面. 本文基于广义梯度近似下的密度泛函理论, 考虑电子自旋的非共线磁性结构, 计算研究了 d电子在位库仑作用和自旋-轨道耦合作用对HoMnO₃的电子结构、 轨道杂化和能态密度分布的影响. 结果显示, 当考虑在位库仑排斥势U作用时, 强烈的Ho 5d与O(3, 4) 2p以及Mn 3d与O(1, 2) 2p间的轨道杂化是驱动HoMnO₃发生铁电畸变的根源, 此时能隙和能带的分布为解释实验中发现的强烈的光学吸收峰提供了理论依据, 而自旋-轨道耦合使得Mn 3d-O(3, 4) 2p在 ab平面内的轨道交迭略有增强, 平面内部分能带简并消除, HoMnO₃材料呈现典型的间接性能隙绝缘体特征. 关键词： 磁电效应 铁电畸变 态密度 光学吸收     

二维VOBr2单层的结构畸变及其磁性和铁电性

借助第一性原理计算,对VOBr₂单层的结构、磁性以及铁电性进行了系统研究.计算结果表明低温下VOBr₂会产生自发铁电极化,从高对称顺电相转变为铁电相结构.与同族姊妹材料VOI₂不同的是,V的二聚化现象不仅无法在VOBr₂中稳定存在,还会导致局域磁_矩淬灭.此外,VOBr₂易磁化轴在面内a轴方向,面内a,b轴上近邻磁矩均为反铁磁耦合.VOBr₂中的铁电极化主要由V在a轴方向V—O—V链上的铁电位移产生,大小约为40μC/cm~2.与铁电同步翻转相比,通过分步翻转不同链上的铁电极化,可以有效降低铁电翻转能垒,从而有望通过低能外场实现部分或个别链上的铁电翻转,为低能耗高密度铁电存储器件设计提供新的思路和方向.     

Pb(Zr,Sn,Ti)O3反铁电陶瓷场诱相变性能的改进

为了获得场诱反铁电(AFE_t)—铁电(FE_Ｒ)相变临界电场E_{f小、电滞ΔE小、场致应变x适当的反铁电陶瓷,对Pb(Zr, Sn, Ti)O3采用Ba ^2＋置换Pb^2＋,同时在四方反铁电相AFEt—三方铁电F EＲ相界附近调节Ti/Sn比,来控制FEＲ-AFEt,AFEt关键词： Pb(Zr Sn 3基反铁电陶瓷')" href="#">Ti)O3基反铁电陶瓷 场诱相变 场致应变 掺杂改性}     

OsSi2电子结构和光学性质的研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法,对正交相OsSi₂的电子结构、态密度和光学性质进行了理论计算,能带结构计算表明它是一种间接带隙半导体,禁带宽度为0813 eV;其价带主要由Os的5d和Si的3p态电子构成;导带主要由Si的3s,3p以及Os的5d态电子构成;静态介电常数ε₁（0）=1543; 折射率n＝393并利用计算的能带结构和态密度分析了OsSi₂的介电函数、吸收系数、折射率、反射率、 关键词： 2')" href="#">OsSi₂ 第一性原理 电子结构 光学性质     

Co掺杂BiFeO3的第一性原理研究

采用密度泛函理论结合投影缀加波（PAW）方法,研究了具有钙钛矿结构的BiFeO₃材料及对BiFeO₃进行B位Co元素替代掺杂得到的BiFe_075Co_025O₃材料的磁结构、电子结构、能带结构.结果表明：Co的掺入不破坏原有的钙钛矿结构,对材料铁电性影响不大;掺杂导致原有的G型反铁磁序发生变化,形成了亚铁磁序的磁结构,材料的铁磁性有了很大提高;然而,Co杂质的掺入使材料的绝缘性有所减弱. 关键词： 第一性原理计算 3')" href="#">Co掺杂BiFeO₃ 铁磁性     

超晶格SnO2掺Cr的电子结构和光学性质的研究

基于密度泛函理论的第一性原理,采用全势线性缀加平面波方法(FPLAPW)和广义梯度近似(GGA)来处理相关能,计算了Cr掺杂SnO₂超晶格的电子态密度、能带结构、介电函数、吸收系数、反射率和折射率.研究表明由于Cr的掺入,超晶格SnO₂在费米能级附近形成了新的电子占据态,出现了不连续的杂质能带,这是由Cr-3d态和O-2p,Sn-5s态电子所形成.介电谱在0—5.5 eV之间时出现了三个新的介电峰,在高能区介电谱主峰位置发生蓝移,峰值强度减小.吸收谱、反射谱和折 关键词： 超晶格 第一性原理 态密度 电子结构     

First-principles prediction of coexistence of magnetism and ferroelectricity in rhombohedral Bi2FeTiO6

First principles calculations based on the density functional theory within the local spin density approximation plus U(LSDA + U) scheme, show rhombohedral Bi₂FeTiO₆ is a potential multiferroic in which the magnetism and ferroelectricity coexist. A ferromagnetic configuration with magnetic moment of 4μB per formula unit has been reported with respect to the minimum total energy. Spontaneous polarization of 27.3 μC/cm², caused mainly by the ferroelectric distortions of Ti, was evaluated using the berry phase approach in the modern theory of polarization. The Bi-6s stereochemical activity of long-pair and the ‘d⁰-ness’ criterion in off-centring of Ti were coexisting in the predicted new system. In view of the oxidation state of Bi³⁺, Fe²⁺, Ti⁴⁺, and O²⁻ from the orbital-resolved density of states of the Bi-6p, Fe-3d, Ti-3d, and O-2p states, the valence state of Bi₂FeTiO₆ in the rhombohedral phase was found to be Bi³⁺₂Fe²⁺Ti⁴⁺O₆.     

Evolution of the antiferromagnetism vector of a multiferroic BiFeO<Subscript>3</Subscript> during switching its ferroelectric polarization

The evolution of the antiferromagnetism vector of multiferroic BiFeO₃ during switching of its ferroelectric polarization by an electric field has been studied by numerical simulation in the framework of the phenomenological model for the magnetic anisotropy energy. Optimal variants have been found for the cut of electrosensitive BiFeO₃ layer, the deformation induced by a substrate, and the direction of applying electric field for the development of prototypes of new-generation marnetoresistive memory.     

外加电场对铁电薄膜相变的影响

采用热力学非线性理论,研究了外加电场对立方基底Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃(PZT)铁电薄膜相变的影响.通过数值计算,得到了"失配应变-外加电场"相图,及外加电场与极化强度的关系.当外加电场达到186 kV/cm时,能使生长在SrTiO₃ 基底上PZT铁电薄膜从单斜r相转变为c相.在实验上,采用扫描探针显微镜通过对PZT薄膜施加不同的极化电场来研究了它的电畴翻转.从得到的压电响应相图可以看出,绝大多数的电畴是清晰可 关键词： 铁电薄膜 相变 扫描探针显微镜 失配应变     

Quasi-static electric field–temperature diagrams in epitaxial relaxor ferroelectric films

Quasi-static polarization induced by dc electric field was studied in a broad range of temperatures in epitaxial films of relaxor ferroelectric PbMg_1/3Nb_2/3O₃ and PbSc_1/2Nb_1/2O₃. The electric field was applied and the response was measured along the out-of-plane <100> crystal direction of the epitaxial perovskite-structure (001) oriented films. The films remained in the relaxor state in zero-field cooling. A new polar state can be induced by electric field at a critical temperature below 100 K. The critical field and the induced polarization increased on cooling and reached the bulk-like values at 20 K. The orientational anisotropy of thin-film dipolar systems is discussed as a possible reason for the observed stable relaxor state.     

Structure and multiferroic properties of Eu-substituted BiFeO3 ceramics

Polycrystalline Bi_1?x Eu _x FeO₃ (x=0.00–0.25) ceramics were synthesized by the solid state reaction method with the rapid liquid phase sintering process. The effects of Eu substitution on the structure, and ferroelectric and magnetic properties of BiFeO₃ ceramics were investigated. X-ray diffraction measurements reveal that the structure of BiFeO₃ was changed from rhombohedral to orthorhombic and the impurity phases were decreased both due to Eu substitution. Raman spectra results also confirm that a structure transition occurs in the Eu concentration range of 0.15–0.20. The SEM investigation has suggested that the Eu substitution hinders the grain growth. Vibrating sample magnetometer measurements indicate ferromagnetism in Eu-substituted BiFeO₃ ceramics. It is found that the room temperature magnetic moment increases with increasing Eu concentration due to the suppressed or broken cycloid spin structure. Ferroelectric measurements show that Eu substitution enhances the polarization due to the significant decrease of the electric leakage of the samples. Therefore, the Eu-substituted BiFeO₃, or more complicated substituted BiFeO₃ based on Eu substitution, will have great potential for many practical applications.     

37BiScO_3-63PbTiO_3铁电陶瓷的极化翻转行为研究

在正弦电场E=E0sin(2πft)加载下,通过改变电场E0(5—55kV/cm)和频率f(0.1—100Hz),测量了37BiScO3-63PbTiO3铁电陶瓷材料的电滞回线.数据拟合结果表明:在低电场和高电场阶段,剩余极化强度Pr的对数和矫顽场强Ec的对数都与电场强度E0的对数存在线性关系,而介于高电场与低电场之间则无线性关系存在,这种三阶段行为有别于现有的两阶段行为.这可归结于铁电陶瓷在不同的电场作用下铁电极化机理的不同.     

铁电体中偶极子的滞后对剩余极化的影响

铁电体的剩余极化强度随温度降低而下降的特性引起了人们对铁电体存储数据失效的担心.运用铁电体的唯象理论和偶极子对交变电场的响应,提出了在电滞回线测量中偶极子的滞后冷冻效应模型,对极化的低温退化现象做了合理解释:温度下降导致吉布斯自由能势垒增大,致使偶极子对交变电场的响应时间延长.引入响应的滞后因子发现,极化强度随温度降低会出现峰值,在低温下降直至为零,可用偶极子的滞后与冻结效应描述.详细研究结果表明:因材料组份变化导致热力学参量的变化是重要因素:铁电-顺电相变中软模系数的增大会导致剩余极化峰移向高温;铁电性的增强,温度极化系数的增大和耐压强度或饱和电场的增强均会抑制滞后效应,从而使低温滞后效应移向低温.运用导出的公式数值模拟Ba Ti O_3/Bi Sc O_3复合陶瓷剩余极化强度的实验结果发现,Bi Sc O3含量的增加,使居里温度略有减小,但导致了软模系数较大幅度的增加,其结果是使偶极子的滞后效应发生在较高的温度.软模系数与铁电体的极化特性、铁电性、介电性和力学性均密切相关.研究结论表明:在低温下铁电体的铁电性没有失效,偶极子的低温冻结效应更有利于铁电体长久地保存数据.     

Sc掺杂SnO2稀磁半导体的第一性原理研究

采用第一性原理方法,对Sc掺杂SnO2以及含有O空位的Sc掺杂SnO2的电子结构和磁学性质进行了计算。结果表明SnO2晶格中存在两种本征磁性来源,分别为Sc掺杂诱导的未配对O-2p态电子的自旋极化和O空位诱导的未配对Sn-5p态电子的自旋极化。由于两种未配对的弱束缚电子分别由电离施主和受主诱导产生,因此二者之间存在电荷补偿效应,在特定配比下能够使SnO2晶格出现磁性猝灭。