Cu掺杂β-Ga2O3电子结构和磁学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法,结合广义梯度近似研究了Cu掺杂β-Ga2O3系统的磁学特性。计算结果表明,单Cu的掺杂,稳定体系倾向于自旋极化态,且Cu替代八面体的Ga(B)时系统更稳定,容易在实验上形成;Cu掺杂β-Ga2O3呈现出半金属特性,Cu的掺杂引入了2.0μB磁矩,其中局域在Cu原子上的磁矩为0.45μB,其余主要来自于Cu杂质周围的氧原子。由于电荷补偿效应,在Cu掺杂β-Ga2O3系统中引入氧空位时,体系磁矩减小到零。在2个Cu取代Ga的10种构型中,A1-B3构型的能量最低,且显示出铁磁性,磁矩为3.8μB。考虑氧空位后,A1-B3构型的反铁磁性和铁磁性能量差增大,磁矩减小到1.0μB。     

BaTiO_3铁电体中应变-极化耦合效应的分子动力学模拟

基于一种修正的壳模型分子动力学方法研究了BaTiO_3铁电体的应变-极化耦合效应.采用DL_ POLY软件包,首先模拟了BaTiO_3铁电体的晶格常数和自发极化,取得了与实验较为一致的结果.在此基础上,对BaTiO_3的极化翻转过程和场致应变效应进行了模拟.模拟结果清楚地表明了BaTiO_2铁电体中存在着较强的应变-极化耦合效应.进一步模拟了不同应变条件下的极化强度.结果表明,在压应变条件下,体系的自发极化强度增加,且极化强度与应变量近似地成线性关系.而在拉应变条件下,体系自发极化强度迅速降低.当双轴向拉应变达到0.8%时,体系沿c轴的极化强度消失,同时在a方向出现不为零的极化强度,这表明极化强度发生了90°旋转.     

粗晶粒BaTiO_3陶瓷的微观结构及电学性能

以钛酸丁酯和乙酸钡为原料用溶胶-凝胶法制备了BaTiO3纳米粉体,并烧结了不同晶粒尺寸的陶瓷,研究了不同烧结温度下BaTiO3陶瓷的微观结构及尺寸效应对电学性能的影响。结果表明:溶胶-凝胶法可以在较低的温度(700℃)下合成BaTiO3纳米粉体,平均粒径25nm;BaTiO3陶瓷的晶粒尺寸直接影响其电学性能,随晶粒尺寸的增大,剩余极化,压电常数,机电耦合系数,机械品质因数逐渐提高,居里温度向高温区偏移;当晶粒尺寸达到50μm时,陶瓷相对密度为95.6%,d33可达168pC.N-1,kp=24.8%,Qm=425,Tc=122℃。     

表面态对纳米晶BaTiO3介电性能的影响

采用硬脂酸凝胶法制备了粒度均匀的纳米晶BaTiO3，用X射线衍射分析、红外光谱分析、透射电子显微镜对产物进行了表征，研究了表面态与介电性能。结果表明，BaTiO3纳米材料表面的不完整性主要是氧空位造成的，暴露在粒子表面的是一些金属离子，随着晶粒尺寸的减小，氧空位缺陷的浓度增加，极化增强，纳米材料的这种表面状态对其介电性能有重要影响，使其静态介电常数远比常规材料的大。     

利用微弧氧化法制备四方相BaTiO3薄膜的结构特征及铁电性能

利用微弧氧化技术在钛衬底上直接制备了四方相钛酸钡铁电薄膜.利用X射线(XRD)、HP4192A阻抗分析仪和铁电测试系统(FTS)等手段对薄膜样品的相结构、介电和铁电性能进行了研究.结果表明,工艺参数为Ba(OH)2浓度为0.5mol/L,电流密度为150mA/cm2,温度为57℃,反应时间5～20min的薄膜主要要由四方相BaTiO3构成.在微弧氧化过程中,弧点的连续移动是形成四方相BaTiO3的主要原因.此工艺参数下薄膜的剩余极化值为0.271和-4.62μC/cm2(Pr),与其对应的矫顽场强度分别为20和-2.8kV/cm(Ec).该薄膜具有良好的铁电性能.     

缺陷对RRAM材料阻变机理的影响

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理和VASP仿真软件,分析了阻变随机存储器(RRAM)阻变效应的物理机制。对比计算了单斜晶相HfO2中Ag掺杂体系、氧空位缺陷体系和Ag及氧空位缺陷共掺杂复合缺陷体系的能带、态密度、分波电荷态密度面和形成能,结果表明在相同浓度下Ag掺杂体系能形成导电通道,而氧空位缺陷体系不能形成导电通道;共掺杂体系中其阻变机制以Ag传导为主,氧空位缺陷为辅,且其形成能变小,体系更加稳定。计算共掺杂体系的布居数和迁移势垒,得出在氧空位缺陷存在的前提下,Ag—O键长明显增加,Ag离子的迁移势垒变小,电化学性能增强。进一步计算了缺陷间的相互作用能,其值为负,表明缺陷间具有相互缔合作用,体系更加稳定。     

不同价态的Mn和点空位对ZnO体系光学性能的影响

目前,因为实验上点空位的精确测量调控对ZnO:Mn体系物理性质的影响具有挑战性,而第一性原理解决此问题有一定的优势,所以用第一性原理研究了Mn2+/3+/4+掺杂和氧空位或锌空位(VO/VZn)对ZnO的结构稳定性、电子结构和光学性质的影响.研究结果显示,所有体系在富氧条件下的形成能比富锌条件下的形成能低,说明ZnO:Mn在富氧条件下容易形成稳定结构.在Mn2+掺杂的含VO/VZn的ZnO体系中,VO价态越低,体系形成能越低,结构越稳定;而对于VZn价态则相反.在Mn2+/3+/4+掺杂的含中性空位(VO 0/VZn 0)的ZnO中,Mn的价态越高,体系形成能越低,结构越稳定.Mn2+掺杂的含VO 0/VZn 0的ZnO体系的光学带隙变窄,在可见光范围内吸收光谱红移.其中,VO 0杂质能级和费米能级部分重叠形成陷阱效应,更有利于产生电子?空穴对.此外,含VO 0体系在360～509 nm内的吸收强度最大,而含VZn 0体系在509～760 nm范围内的吸收强度最大.ZnO:Mn体系对可见光的响应主要由Mn、Zn和O离子之间的sp?d相互作用和Mn掺杂、VO 0/VZn 0引导的体系自旋极化引起.因此,含VO 0/VZn 0的ZnO:Mn体系是有较好应用前景的光催化材料.     

Zn0．9O1-xCo0．1体系磁性和电子结构研究

在第一性原理框架理论下应用KKR-CPA-LDA方法计算了Zn0.9O1-xCo0.1体系(x=0～10%)下的电子结构、磁矩分布和3种不同的状态下的能量.结果表明:(1)在不同的氧空位缺陷的条件下,材料都显示半金属特性;(2)随着氧空位缺陷的增加,掺杂体系的能量逐渐升高,稳定性逐渐变弱,说明了基态条件下,Zn0.9O1-xCo0.1掺杂体系中的氧空位缺陷是不容易形成的,这个和文献报道的是一致的;(3)根据计算结果可以推断,在Zn0.9O1-xCo0.1体系中,磁性原子的磁矩随着氧空位缺陷的增加,体系的饱和磁化强度降低,符合双交换理论.     

Bi4Ti3O12层状铁电薄膜的结构与性能研究

采用脉冲激光沉积法(pulsed laser deposition,PLD),通过改变气氛氧压、衬底温度等工艺参数,在商业化的Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上制备了Bi4Ti3O12(BIT)系列薄膜.利用X射线衍射(XRD)表征了薄膜的结构特征;并采用RT2000进行铁电性能参数的测量,以此研究了工艺参数对薄膜结构和铁电性能的影响规律.分析结果表明,调整工艺参数能有效改善BIT薄膜的a轴取向度:气氛氧压越大、衬底温度越高,则薄膜的a轴取向度越高,剩余极化值也就越大.通过上述试验结果得到,在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上制备BIT薄膜的优化条件为氧分压35Pa、衬底温度700℃.在此优化条件下制备的BIT薄膜为a轴择优取向,剩余极化值达到7μC/cm2.     

铋过量对CaBi4Ti4O15铁电薄膜性能的影响

利用溶胶凝胶法制备CaBi4 xTi4O15(CBT-x)铁电薄膜,探索了不同铋含量对CBT-x铁电薄膜样品的相结构、微观形貌和电学性能的影响,研究表明,当x为0.3时,样品的剩余极化强度达到最大值,2Pr= 8.7μC/cm2,矫顽场强2Ec=7.6kV/mm,相对介电常数的大小在(160±6)%范围内,损耗因子在0.05～0.08之间,适量的铋含量可以较好地抑制过多的氧空位、焦虑石相和其它杂相的产生.