几种钙钛矿型氟化物超晶格的理论研究

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利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,本文对几种钙钛矿型氟化物超晶格KMgF3/KCaF3、NaMgF3/NaCaF3、KMgF3/NaMgF3的几何结构和电子结构性质进行了理论研究,主要包括以下几方面:(1)研究了钙钛矿型氟化物超晶格KMgF3/KCaF3的几何结构和电子结构性质。首先对超晶格(KMgF3)1/(KCaF3)1的性质进行了研究。模拟了不同晶格常数的衬底材料对该超晶格性质的影响。结果表明,当超晶格受到扩张应变时,正负离子间相对位移值较小,而当超晶格受到界面压缩应变时,正负离子间相对位移值有急剧的增加,这种增加使得超晶格中产生较大的极化强度。同时,超晶格KMgF3/KCaF3的电子层受到了材料本身极化的影响,当极化性越大,导带底的位置就会越低,且超晶格体系能量最低时结构达到最稳定。其次研究了不同迭代周期下的四方相钙钛矿型氟化物超晶格KMgF3/KCaF3的几何结构和电子结构性质。研究发现超晶格的面内晶格常数α和面外晶格常数c均位于两体相材料的对应的晶格常数之间,并且随超晶格中KMgF3含量比率的增加而逐渐减小。通过对电子性质的研究发现,超晶格的能带带隙值随着超晶格中KMgF3含量的增加而逐渐增加,且处于两个体相材料能带带隙值之间,并基本呈线性变化。通过极化强度的计算表明,所有超晶格的极化强度值都较小,这主要是由于这些超晶格中较小的晶格畸变引起的相对较弱的正负离子相对位移造成的。(2)对不同迭代周期下的钙钛矿型氟化物超晶格NaMgF3/NaCaF3的几何结构和电子结构性质进行了理论研究。研究发现,NaMgF3/NaCaF3超晶格的面内晶格常数α和面外晶格常数c均随超晶格中NaMgF3含量比率的增加而逐渐减小,且均位于NaMgF3和NaCaF3两体相材料对应的晶格常数之间。与超晶格KMgF3/KCaF3不同的是,超晶格NaMgF3/NaCaF3的能带带隙值均小于两体相材料的能带带隙值。极化性质的计算表明,虽然NaMgF3体相材料的极化强度值较小,但NaCaF3体相材料及NaMgF3/NaCaF3超晶格具有较大的极化值,这主要是因为后者较大的晶格畸变引起了相对较强的正负离子相对位移。(3)理论研究了不同迭代周期下ABF3型钙钛矿氟化物超晶格KMgF3/NaMgF3的几何结构和电子结构性质。与超晶格KMgF3/KCaF3不同的是,超晶格KMgF3/NaMgF3的面内晶格常数α和面外晶格常数c随超晶格中KMgF3含量比率的增加而逐渐增加,且均位于KMgF3和NaMgF3两体相材料的对应的品格常数之间。超晶格KMgF3/NaMgF3的能带带隙值随着KMgF3含量的增加而逐渐增加。就极化规律而言,虽然NaMgF3中出现了一定的极化值,但KMgF3以及所有超晶格中的极化值非常微弱,这可能与这些超晶格中较小的晶格畸变引起的相对较弱的正负离子相对位移有关。以上研究内容和结果对钙钛矿型氟化物超晶格异质结构材料的宏观物理化学性质以及微观几何结构和电子结构的研究有重要的理论科学意义。
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