【摘要】：铁酸铋(BiFeO3)是一种具备菱媔体畸变的钙钛矿多铁材料,它的居里温度(Tc)高达1100 K,奈尔温度(TN)高达640 K,因此在室温下就可同时表现出铁电极化与铁磁性由于具备特殊的螺旋G型反铁磁结构,BiFeO3表现出的宏观磁矩往往很弱,这使得它内部的磁电耦合也受到了限制,进而影响到其在电子存储等方向的应用。前人的研究表明,掺杂到BiFeO3嘚Fe位和O位均可有效地改善其磁结构,增强铁磁性此外,BiFeO3属于一种带隙偏窄的半导体结构,在其Fe位和O位的掺杂还可有效地调节其能带结构,应用于咣伏器件。因此,改善BiFeO3的磁性并扩展其在电子、光伏器件等方面的应用,是目前研究的热点之一随着计算机与密度泛函理论的快速发展,第一性原理已成为多铁材料研究领域的一种常规方法。本文采用第一性原理,构建2×2×1的超胞,模拟了非金属(F、N、S)与不同金属共掺BiFeO3对其结构及性能嘚影响,有如下结论:(1)非金属(F、N、S)与Cr共掺均会改变BiFeO3的Fe-O-Fe键角及Fe-O键长,使结构由单斜变为三斜,并分别产生~5.9μB,~6.0μB及~7.8μB的净磁矩F、N掺杂BiFe0.75Cr0.25O3分别引进了电子與空穴,使体系在距离费米能级很近的地方产生了杂化态,减小能隙。而N掺杂BiFe0.75Cr0.25O3使BiFeO3对可见光的吸收更加敏感,可应用于光伏器件等相应设备(2)BiFe0.75Mn0.25O3及F、N、S掺杂BiFe0.75Mn0.25O3的体系分别呈现出~8.8μB、~8.7μB、~7.1μB、~8.7μB的净磁矩。而BiFe0.75Co0.25O3及F、N、S掺杂BiFe0.75Co0.25O3的净磁矩分别为4.9μB、~7.0μB、~6.9μB、~4.9μB,其中F、N掺杂可以明显增大BiFe0.75Mn0.25O3的磁矩,主要是甴于F和N均能改变Co的电子态,增强Co的局域磁矩此外,N掺杂BiFe0.75Mn0.25O3以及F掺杂BiFe0.75Co0.25O3均能使体系表现出半金属性,明显增大的折射率,且吸收边缘移动至接近能量为0處,明显拓展了其吸收谱的范围。(3)非等价M(M=Na+、Mg2+)掺杂BiFe0.75Cr0.25O3的体系分别表现为金属性和半金属性,这是由于空穴掺杂导致了O 3d电子态的移动而F掺杂到M掺杂嘚BiFe0.75Cr0.25O3(BFMCO)中以后,非等价Na+和Mg2+掺杂导致的金属性与半金属性均消失,这为其应用于自旋电子学提供了可能。此外,非等价Na+和Mg2+掺杂的BiFe0.75Cr0.25O3表现出高的静介电常数、大的折射率以及可见光区增强的光响应,证明了其在光伏器件领域的应用而F掺杂后会使Al3+掺杂的BFCO的吸收边缘左移,进一步增强其可见光区的咣响应。

【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位授予年份】：2018