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计算材料物理学发展迅速,近来已成为科学技术中的一个新领域。密度泛函理论(DFT)是计算材料物理中使用的重要方法之一。运用DFT,我们可以探索诸多材料的电子和结构性质,深刻了解材料的缺陷、表面和界面等特性。本论文采用DFT方法,计算了两类新型功能材料的电子、磁学和光学等性质,并研究了这些材料的功能性质。这两类新型功能材料是高介电常数材料CaCu3Ti4O12(CCTO)和它的同构化合物CdCu3Ti4O12(CdCTO)、CaCu3Ge4O12(CCGO)以及水分解光催化材料InMO4(M=V,Nb,Ta)。以下是研究工作得到的主要结果:
1.研究了CCTO电子、磁学和光学性质。计算结果显示,CCTO是反铁磁(AFM)半导体,其间接带隙大小为0.51 Ev。电子结构分析表明CCTO有电荷转移绝缘体的特征。CCTO具有绝缘的铁磁(FM)亚稳态,这意味着它可能会发生AFM-FM转变。计算的CuO4配位体的磁矩等于0.84μB。估算的交换耦合系数J1+2J3=14meV与实验基本一致。CCTO光学函数上3.5 eV附近有一个显著的吸收尖峰,它来自O2p态到Cu3d态的电荷转移跃迁。对CCTO的电荷转移特性和它的新奇性质,诸如高介电常数、红外异常之间的关联也予以讨论。
2.将CCTO的研究工作扩展到了CdCTO,研究了后者的电子、磁学和光学性质。测量的CdCTO低频介电常数通常比CCTO的小很多。计算的结果显示这两种化合物的电子、磁学和光学性质非常相似,这说明CCTO的高介电常数起源于外禀机制。解释了这两种材料在测量的低频介电常数和红外异常性质上的差异。
3.给出了关于CCGO和CCTO电子和磁学性质的第一性原理比较研究结果。因Ge和Ti有着截然不同的电子构型,CCGO的性质与CCTO的差别很大。CCGO是弱铁磁绝缘体,有一反铁磁亚稳态。CCGO可被看作准零维自旋体系,其CuO4配位体的磁矩0.97μB是已知铜化合物中最大的。这两种化合物反铁磁态的比较研究显示,Ti离子在CCTO的电子和磁性质中有着重要作用。计算表明,只须考虑超交换相互作用即可解释CCTO的磁结构。Ti路径在超交换互作用中起主要作用,O路径则起小的作用。
4.研究了InMO4(M=V,Nb,Ta)的电子和光学性质。与测量的光学带隙(1.9,2.5,2.6 ev)比较,计算的单粒子带隙(3.24,3.43,3.81 Ev)要火很多,这说明带隙内有中间激发态的存在。分析了测量的InMO4吸收谱中的特征吸收,并与可能的中间激发态,比如杂质态或激子态,进行了对照。在传统的光催化水分解机制的框架下,讨论了杂质念与InMO4水分解光催化活性之间的关联。