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多铁性材料是同时具有铁电性、铁磁性和铁弹性中的两种或者三种性质的材料,具有广泛的科技应用前景和丰富的物理内涵,是当前凝聚态与材料物理领域的研究热点。本书介绍了多铁性材料的基础知识,借助一性原理理论计算研究多铁性材料的电子结构,探索在高压极端条件下多种凝聚态物性的特征与转变规律,重点研究静水压和单轴压力作用下的晶体结构、电子结构、输运性质、磁有序与铁电有序以及磁电耦合的变化规律与内在物理机制,并且对多铁性材料进行了初步设计,为更深入地开展多铁性材料的实验研究提供理论指导和知识储备。
本书可以作为材料及物理专业硕士、博士研究生选读教材,也可为相关专业的技术人员提供参考。
1 绪论
1.1 多铁性材料简介
1.2 多铁性材料的发展简史
1.3 多铁性材料的分类
1.3.1 第Ⅰ类多铁性材料
1.3.2 第Ⅱ类多铁性材料
1.4 多铁性的微观机制
1.5 磁性的起源与规律
1.5.1 磁性的宏观特征
1.5.2 磁性的微观起源
1.6 多铁性的研究内容与面临的挑战
参考文献
2 第一性原理计算及其在多铁性材料研究中的应用
2.1 第一性原理计算概述
2.1.1 基本概念
2.1.2 基本思路
2.1.3 基本近似
2.2 密度泛函理论基础
2.2.1 Hohenberg—Kohn定理
2.2.2 Kohn—Sham方程
2.2.3 交换关联能泛函
2.2.4 自旋密度泛函理论
2.3 第一性原理计算在多铁性材料研究中的应用
2.3.1 单相多铁性材料的第一性原理研究
2.3.2 第一性原理理论预测新型多铁性材料
2.3.3 理论设计人工多铁性材料
2.4 第一性原理计算软件CASTEP简介
参考文献
3 高压下多铁性材料BiCoO3的物性研究
3.1 研究背景简介
3.2 理论建模和基本参数的选择
3.3 BiCoO3的Co3 离子自旋态及基态电子结构
3.3.1 Co3 离子自旋态
3.3.2 基态电子结构
3.4 压力诱导的物性变化
3.4.1 静水压力诱导的结构、电子和磁性相变
3.4.2 单轴压力诱导的结构、电子和磁性相变
3.5 本章小结
参考文献
4 多铁性材料PbVO3的电子结构与高压相变研究
4.1 研究背景
4.2 计算细节与模型建立
4.3 四方相PbVO3的基态电子结构与铁电性
4.3.1 基态的晶体结构特征
4.3.2 磁基态的电子结构特征
4.3.3 四方相的铁电性起源
4.4 四方相PbVO3的结构稳定性
4.4.1 静水压力诱导的晶体结构相变与电子结构变化
4.4.2 单轴压力诱导的晶体结构相变与电子结构变化
4.5 本章小结
参考文献
5 多铁性材料的第一性原理设计——以BiCo1-xFexO3为例
5.1 BiCo1-xCoxO3体系的研究现状
5.1.1 BiFeO3的化学取代
5.1.2 BiFeO3一BiCoO3固溶体
5.2 BiCo1-xCoxO3体系面临的挑战
5.3 BiCo1-xFexO3多铁性材料的第一性原理设计
5.4 本章小结
参考文献2100433B
本书编写思路清晰、内容翔实、图文并茂、文句流畅、通俗易懂,利于教学,便于学生自学与训练。本书既可以作为电子信息类中等职业教育的教材,也可以作为从事电子信息技术工作和计量测试人员的参考书。
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硫化铜矿物电子结构的第一性原理研究
基于密度泛函理论的平面波赝势方法,计算黄铜矿、辉铜矿、铜蓝、斑铜矿的电子结构性质,并讨论硫化铜矿物电子结构与其可浮性之间的关系。利用费米能级讨论不同硫化铜矿物参与化学反应的活性位置及其与黄药作用生成不同产物的原因。计算结果表明:黄铜矿禁带宽度为0.99 eV,属于直接带隙p型半导体,而辉铜矿、铜蓝、斑铜矿则为导体。前线轨道计算结果能够很好地解释4种硫化铜矿物氧化性差异。为进一步认清硫化铜矿物可浮性的差异及硫化铜矿物新药剂开发提供理论参考。
W形六角铁氧体BaFe_(18)O_(27)电子结构与导电性的第一性原理研究
采用基于第一性原理的GGA+U方法研究了BaFe18O27的晶体结构和基态电子结构.以实验数据为初始结构的离子弛豫显示,由于稳定结构中离子半径的差异和2d位Fe的存在,位于BaO层中6h位的O离子脱离了实验结构中原胞的"表面"位置,产生畸变.计算得到晶体磁矩为28μB/f.u.,与实验相符.电子态密度及能带计算表明该材料具有微弱的半金属特性,而且与c轴平行方向和垂直方向的能带色散关系有着很大不同,6g位Fe在该材料的输运特性中起着关键作用,它们形成一种"导电层",导致垂直电导率和平行电导率出现非常大的差异.
自旋电子学是当今研究的热点之一,其中需要解决的关键问题之一是提高自旋极化率。铁磁半金属和半导体是比较理想的候选材料,这类材料对稳定性好﹑数据处理速度快﹑功率损耗低以及集成密度高的器件等领域有着广泛的应用前景。主要工作如下: (1)通过GGA U计算,理论预言了半金属材料Eu4O3N,它的最大特点是具有很大的磁矩,Eu磁矩高达大约 7 μB。 (2)通过使用mBJ交换势克服能隙问题和铁磁和各种反铁磁能量比较,理论预言CrO2/TiO2超晶格是铁磁半导体,并且在很大晶格常数范围内都是铁磁半导体。 (3)通过使用mBJ交换势,研究了闪锌矿铁磁半金属和半导体构成的超晶格 (CrX)2/(YX)2 (X=As, Sb;Se, Te and Y=Ga; Zn),计算结果出示它们都是性能优良的铁磁半金属。 我们的工作为寻找潜在的铁磁半金属和半导体提供一定的理论基础,促使进一步的实验工作。 2100433B
自旋电子学是当今研究的热点之一,其中需要解决的关键问题之一是提高自旋极化率。半金属是比较理想的候选材料,这类材料对稳定性好﹑数据处理速度快﹑功率损耗低以及集成密度高的器件等领域有着广泛的应用前景。针对这类新型功能材料,将进行以下几方面的研究:. (1)准确计算半金属材料的能隙,在此基础上计算这些材料的光学性质,以及输运系数,得到与实验一致的结果。. (2)通过应变调控的方法,找到加大半金属能隙和提高半金属居里温度的思路;研究表面和界面对半金属材料特性的影响。. (3)通过替代﹑应变﹑加电场或磁场的方法预言新的半金属材料;寻找与半金属材料有关的拓扑性质。
本书介绍了计算材料和计算凝聚态物理学中常用的密度泛函理论、程序及应用实例,主要包括材料计算背景介绍;晶体结构和晶体对称性;能带理论和紧束缚近似;密度泛函理论基础;VASP程序基本功能、参数和应用;材料拓扑性质理论和计算实例。 全书分为六章。第1章为绪论,主要介绍材料设计的基本概念、材料数据库的建立和应用、高性能计算和Linux操作系统。第2章为晶体结构和晶体对称性,主要包括晶体点阵、元胞、对称操作、点群、晶系、原子坐标和倒易空间等内容。第3章为电子能带结构,包括布洛赫定理、玻恩-冯·卡门边界条件、本征方程、紧束缚近似及一些简单材料的算例。第4章为密度泛函理论,主要介绍了Hartree方程、Hartree-Fock方程、密度泛函理论基础、Kohn-Sham方程、基组、赝势以及交换关联势等内容。第5章为密度泛函计算程序VASP,主要介绍VASP程序的基本功能和常见参数,并列举了几个常见的计算实例。第6章为拓扑材料计算实例,专题介绍了材料拓扑性质的基本理论,并列举了若干使用密度泛函理论研究材料拓扑性质的计算实例。