BiFeO3多铁性的第一性原理研究

第2 7卷第 2期 2 0 1 3年3月

常熟理工学院学报 (自然科学 ) J o u r n a l o f C h a n g s h u I n s t i t u t e T e c h n o l o g y ( N a t u r a l S c i e n c e s )

V0 1 . 27 NO. 2 Ma r ., 2 01 3

B i F e O3多铁性的第一性原理研究 李静,吴银忠,蔡田怡,雎胜’ ( 1 .苏州大学物理科学与技术学院,江苏苏州 2 1 5 0 0 6;

2 .常熟理工学院物理与电子工程学院,江苏常熟 2 1 5 5 0 0 ) 摘要:利用第一性原理计算方法系统研究了B i F e O 的晶格结构、电子结构、铁电性质和磁性

质 .计算结果表明: B i F e O,是具有菱面体畸变钙钛矿结构的反铁磁绝缘体,这与实验结果一致;同 时预测 B i F e O 的铁电极化强度高达 1 0 4 . 0 p, C/ c m ,显示 B i F e O,在铁电和多铁器件上的潜在应用. 关键词:第一性原理计算; B i F e O,;多铁性中图分类号: 0 4 6 9 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 8— 2 7 9 4 ( 2 0 1 3 ) 0 2— 0 0 0 6— 0 4

近年来,多铁性材料由于同时具有磁有序和电有序,引起了人们的广泛关注和研究 .然而,由于磁有序

和电有序在本质上自然互斥,室温时仍能保持磁有序和电有序的多铁性材料非常稀少 .对于传统的钙钛矿结构铁电体, B位金属离子一般具有 d。电子构型.而磁性材料需要 d轨道没有完全占满的 B位离子,其局域 磁矩主要来自于壳层中未成对电子的贡献 .已有的实验结果表明, B i F e O 具有较高的铁电居里温度 ( = 1 1 0 0 K )和反铁磁尼尔温度 ( T N= 6 4 3 K) .因此,作为一种在室温以上既有铁电性又具有反铁磁性的材料,

B i F e O 3 1 1 - 3 1 ̄ I起了实验和理论研究者极大的研究兴趣 .本文基于密度泛函理论 ( D F T )的第一性原理计算方法, 利用G G A的方法对 B i F e O 的基态晶体结构、电子结构、铁电性和磁性进行研究 .

1计算方法 本文基于密度泛函理论,采用

广义梯度近似 ( G G A),结合投影缀加波( P A W)方法、并行 V A S P t - 7 1 ( V i e n .

n a a b— i n i t i o s i m u l a t i o n p a c k a g e )软件包对 B i F e O,的电子结构进行计算,并采用 P A W势来描述电子和离子间的相互作用.为了确保计算的精度,在计算的过程中,结构弛豫时的平面波截止能量设为 6 0 0 e V,当相邻的电子步能量差在 1 0~e V范围内时,认为能量收敛,电子结构的自洽场计算结束 .当每个原子的作用力小于 0 . O 1 e V/ A时,晶格结构的优化过程结束 .在对本文材料的计算过程中,主要考虑 B i的6 s 6 p 价电子 ( 5个), F e 的3 d 4 s 价电子 ( 8个), O的 2 s 2 p 价电子( 6个)的贡献 .利用 Mo n h k o r s t— P a c k方法嘲产生 K点 ( 1 O x 1 0 x 4 ) .结构弛豫时,分别计算晶格结构具有 R 3 c、 R一 3 c对称性的初始状态,晶体结构如图 1所示.

2结果与讨论: 2 . 1 晶体结构

在具有简立方钙钛矿型结构 A B O 中,阳离子 A位于立方体的顶点,阳离子 B位于体心,氧离子位于面 收稿日期: 2 0 1 2— 1 2— 1 2 基金项目:国家自然科学基金项目“拓扑绝缘体和多铁性薄膜复合结构的表面磁输运研究” ( 1 1 1 0 4 1 9 3 );“铁电垒磁性隧道结中的非对称界面效应” ( 1 1 2 7 4 0 5 4 );“铁电隧道结的输运理论研究” ( 1 1 0 4 7 0 0 7 ) 通讯联系人:吴银忠,教授,博士,研究方向:铁电材料与器件设计, E - m a i l: y z w u@c s l g . e n .

BiFeO3多铁性的第一性原理研究

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