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本文采用第一性原理计算方法研究了部分新型功能材料的电子结构,重点讨论了掺杂对功能材料的输运、电学和磁学等物理性质的影响。主要内容包括以下几个方面:
⑴δ-Bi2O3基氧离子导体的研究。通过观察氧缺陷结构,我们发现在δ-Bi2O3中氧空位沿〈100〉方向排列是最稳定的构型;体系具有0.26 eV的间接带隙。结果表明由于孤对电子易极化使得Bi3+具有了很强的弹性,这种弹性对体系的稳定性和离子电导有重要的影响。通过掺杂,我们研究了材料的稳定性和离子电导率的变化,发现掺杂Ca、Sr、La、Gd和Sm后,离子电导率单调降低,而掺杂Y、Tb、Dy、Er和Tm后,离子电导率先升高后降低;借助于缺陷缔合和有效氧空位浓度概念,我们进一步分析了离子电导机制。
⑵掺杂对MgCNi3反钙钛矿型化合物超导电性的影响。通过观察电子结构,发现组元替代后电声相互作用减弱,电子掺杂的AlCNi3、GaCNi3和InCNi3化合物不超导;在空穴掺杂的LiCNi3和NaCNi3体系中强的磁涨落抑制了超导电性;C位缺陷和替代也降低了电声相互作用。通过分析此类型化合物电子结构、磁与超导的竞争,指出与MgCNi3等价电子的化合物有可能超导。
⑶Gd掺杂下的GaN磁半导体的研究。通过观察含有4f电子体系的电子结构特征,分析了Gd掺入GaN后的磁相互作用,并与过渡金属掺杂的磁半导体进行了比较。结果表明掺杂后4f电子更加局域化,磁相互作用也更为复杂。我们的结果表明在GaN∶Gd稀磁半导体中不可能产生超大磁矩。
⑷研究结果表明通过掺杂可以获得更多的新材料;对掺杂效应的研究也有助于材料物理本质的探索,为进一步的实验和应用奠定坚实的理论基础。