稀土元素Gd掺杂BiFeO3的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的局域自旋密度近似加U法（LSDA+U:Hubbard参数）计算了多铁材料BiFeO3铁电相以及稀土元素Gd掺杂BiFeO3材料的能带结构、态密度（DOS）、原子轨道占据数和净电荷分布等,对稀土元素Gd掺杂BiFeO3可能引起的电子结构、介电常数和铁磁性的改变进行了第一性原理研究。计算结果表明：Gd掺杂对材料钙钛矿结构影响不大,BiFeO3铁电性主要来源于Fe原子3d轨道和O原子2p轨道杂化;掺杂Gd后材料中的Fe原子和O原子的共价性减弱,Bi原子和O原子的离子性增强,禁带宽度变窄,绝缘性减弱,铁磁性明显增强;计算得到的光学性质表明材料的静态介电常数有所增加。     

稀土元素Gd掺杂BiFeO3的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的局域自旋密度近似加U法（LSDA+U:Hubbard参数）计算了多铁材料BiFeO3铁电相以及稀土元素Gd掺杂BiFeO3材料的能带结构、态密度（DOS）、原子轨道占据数和净电荷分布等,对稀土元素Gd掺杂BiFeO3可能引起的电子结构、介电常数和铁磁性的改变进行了第一性原理研究。计算结果表明：Gd掺杂对材料钙钛矿结构影响不大,BiFeO3铁电性主要来源于Fe原子3d轨道和O原子2p轨道杂化;掺杂Gd后材料中的Fe原子和O原子的共价性减弱,Bi原子和O原子的离子性增强,禁带宽度变窄,绝缘性减弱,铁磁性明显增强;计算得到的光学性质表明材料的静态介电常数有所增加。     

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}     

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.     

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 关键词： 第一性原理 铁电性 铁电畸变 反铁磁性     

Pb(Zr_(0.4)Ti_(0.6))O_3电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法计算了Pb(Zr0.4Ti0.6)O3五层超晶胞的顺电相和铁电相的电子结构.由态密度、电子密度和能带结构的计算结果发现顺电相下钛氧八面体Ti-O6和锆氧八面体Zr-O6在铁电相中分裂为由1个O1离子和4个O2离子组成的金字塔结构Ti-O5和Zr-O5;与顺电相相比,铁电相中钛离子的3d电子和氧离子的2p电子存在更强的轨道杂化,这种杂化降低了离子间的短程排斥力,使得具有铁电性的四方结构更为稳定,而且钛离子与氧离子的相互作用对于铁电相Pb(Zr0.4Ti0.6)O3沿c轴自发极化的贡献大于锆离子与氧离子的相互作用;由电子密度的分布可推断立方结构的Pb-O键呈现离子键特征,而铁电相下Pb-O键则有较大的共价成分,铅离子与氧离子的这种轨道杂化对Pb(Zr0.4Ti0.6)O3的铁电性起重要作用.所得结果对深入理解Pb(Zr0.4Ti0.6)O3铁电性的微观机理具有参考价值.     

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.     

SrTiO3薄膜氧缺陷的第一性原理研究

在广义梯度近似(GGA)下,利用超软赝势对真空条件下SrTiO3超晶胞的体系能量、原子间电子云重叠布局数和电子态密度等进行了自恰计算.结果显示,对有氧缺陷的超晶胞优化后,晶格参数的几何平均值增大了2.711%,这表明在高温条件下外延生长STO薄膜时,产生了氧缺陷,并且氧空位易处于薄膜表层;另外,表层氧缺陷使表层Ti原子明显的发生偏心位移,两个Ti原子的核间距由0.3905 nm增大至0.4234 nm,b轴上的氧原子则向中心靠近了0.0108 nm、并沿c轴方向上突了0.0027 nm,使STO晶体产生自发极化,氧缺陷还使STO的电子态密度的能隙增宽了1.75 eV,达到2.48 eV,从而使STO晶体由顺电相转向铁电相.     

四方相BaTiO3铁电性的第一性原理研究

在广义梯度近似下，利用超软赝势对立方相和四方相BaTiO3晶胞中Ti原子沿c轴位移时体系的能量、原子间电子云重叠布局数和各原子上的净电荷等进行了自洽计算.结果显示，当Ti原子沿c轴位移0012nm时，四方相BaTiO3体系能量最低，其自发极化强度为0261C/m2，该结果与实验数据相符合；同时表明，O原子的2p轨道和Ti原子的3d轨道的杂 化是BaTiO3晶体出现铁电性的重要原因. 关键词： 四方相BaTiO3 铁电性 位移 态密度     

多铁性BiFeO_3异质结构在多场作用下物理性质研究

多铁材料BiFeO3不但具有优越的铁电特性,同时由于电、磁、光之间的耦合作用,可以实现电场控制磁化,光照控制电学性质,是研究新型多参量耦合器件的首选材料。文章介绍了作者实验室对铁电材料BiFeO3异质结构的可反转二极管效应和电致电阻效应的研究。在理论研究方面,作者考虑了金属电极的不完全屏蔽效应,提出了极化控制界面肖特基势垒高度模型,解释了金属/铁电结构/金属的可反转二极管效应。在BiFeO3/La0.7Sr0.3MnO3铁电/铁磁异质结构实验研究方面,作者研究了BiFeO3薄膜厚度对体系电学和磁学性质的影响,实现了在光、电双场调控下研究Au/BiFeO3/La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3体系的光、电性质,可为以后研究多参量对器件性能的影响提供参考。     

Band structure and optical properties of antimony-sulfobromide: density functional calculation

The electronic structure, linear, and non-linear optical properties of ferroelectric-semiconductor SbSBr are investigated in the non-polar (paraelectric) and polar (ferroelectric) phase, using the density functional methods in the generalized gradient approximation. The electronic band structure obtained shows that SbSBr has an indirect forbidden gap of 2.16 and 2.21 eV in the paraelectric and ferroelectric phase, respectively. The linear photon-energy dependent dielectric functions and some optical functions, such as absorption and extinction coefficients, refractive index, energy-loss function, reflectivity, and optical conductivity in both phases and photon-energy dependent second-order susceptibilities in the ferroelectric phase are calculated. Moreover, some important optical parameters, such as the effective number of valence electrons and the effective optical dielectric constant, are calculated in both phases.      

Finite-temperature properties of multiferroic BiFeO3

An effective Hamiltonian scheme is developed to study finite-temperature properties of multiferroic BiFeO3. This approach reproduces very well (i) the symmetry of the ground state, (ii) the Néel and Curie temperatures, and (iii) the intrinsic magnetoelectric coefficients (that are very weak). This scheme also predicts (a) an overlooked phase above Tc approximately 1100 K that is associated with antiferrodistortive motions, as consistent with our additional x-ray diffractions, (b) improperlike dielectric features above Tc, and (c) that the ferroelectric transition is of first order with no group-subgroup relation between the paraelectric and polar phases.     

The thermodynamic functions of ferroelectric and paraelectric SbSI

A first-principle method is used to calculate phonon density of states, Helmholtz free energy, internal energy, and entropy for ferroelectric and paraelectric SbSI. Theoretical phase transition temperature was obtained using the difference of the Helmholtz free energy, internal energy, and entropy term between ferroelectric and paraelectric phases on temperature. The obtained value is in reasonable agreement with the experimental second-order phase transition temperature T_c2 = 233 K.     

Ab Initio calculations of the lattice dynamics and the ferroelectric instability of the BiFeO3 multiferroic

The pressure dependences of the vibration frequencies of the bismuth ferrite crystal lattice in the ferroelectric and paraelectric rhombohedral phases have been calculated from first principles in terms of the LSDA + U approximation. It has been found that there is a linear relationship between the magnetic moments of iron cations and the band gaps calculated using the same parameters of the correlation interaction. An analysis of the pressure dependences of the frequencies of the transverse optical phonons indicates their high stability in both the paraelectric and ferroelectric phases, which is not typical for classical displacive-type ferroelectrics.     

Cr和C共掺TiO_2的电子结构和光学性质的研究

利用第一性原理计算,研究了Cr与C共掺锐钛矿型TiO_2的能带的结构,态密度和光学性质.我们构建了两种不等价的Cr与C紧邻共掺体系:CrC_1-TiO_2和CrC_2-TiO_2.CrC_1-TiO_2体系在价带上方出现了主要由C-2p轨道和Cr-3d轨道耦合成的子带.同时,由于姜-泰勒变形效应,Cr-3d轨道的t_(2g)轨道进一步分裂的成Cr-3d_(yz)轨道在导带底形成附加带,有效带隙较纯TiO_2相比变窄了0.84eV.CrC_2-TiO_2体系带隙中有深带隙态存在,由于深间隙态的存在,价带顶到深带隙的能量宽度为0.84eV,电子从价带顶转移到导带底的所需要的能量将大大减小.最后,我们对纯TiO_2和Cr与C紧邻共掺TiO_2的光学特性进行了计算.结果显示Cr与C共掺TiO_2的光学吸收谱都有很好的可见光区域分布,大大提高了太阳光的利用率.     

The thermodynamic functions of SbSBr crystal

Using density functional theory methods, the phonon density of states, Helmholtz free energy, internal energy, and entropy of ferroelectric and paraelectric phases are investigated. The temperature dependence of the free energy indicates that vibrational entropy contributes to the destabilization of the ferroelectric phase. The vibrational entropy of Sb, S, and Br atoms is attributed to the stabilization of ferroelectric SbSBr at the temperature T _c. Calculations indicated that SbSBr in ferroelectric phase become more stable than in paraelectric phase at temperatures lower than 22.8 K. The calculated temperature of ferroelectric phase transition is in good agreement with the experimental data.