多铁性材料电子结构的第一性原理研究

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

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。

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。