第一性原理研究铁基多铁性薄膜的物理性质

来源 :沈阳工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xuxing22223
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多铁性材料是目前发展迅速并引起研究人员广泛重视的新兴的功能材料之一,其中BiFeO3是当前唯一同时在室温以上表现出铁电性和反铁磁性的多铁性材料。通过提高多铁性材料的磁电耦合效应,可将其应用于新型的多态存储器中,利用“磁读电写”的方式可以提高信息读写的速度。与半导体硅材料结合,有望使磁电薄膜制备的功能器件实现微型化、集成化和多功能化。因此,研究多铁性材料BiFeO3等电子结构和磁性,弄清磁电效应产生的微观物理性质有重要的意义。本文基于第一性原理和密度泛函理论,利用Material Studio和VASP软件,对块状BiFeO3、CoFe2O4和BiFeO3/CoFe2O4异质结薄膜的电子结构及磁性进行详细研究。在计算过程中,采用广义梯度近似(GGA)方法处理交换关联能,使用投影缀加平面波(PAW)赝势来处理原子实处的势能。选取合适的截断能和k点优化块状BiFeO3、CoFe2O4和BiFeO3/CoFe2O4复合薄膜模型,得到(1)块状BiFeO3晶格常数a=b=5.56,c=13.64,夹角α=120°,β=γ=90°;(2)CoFe2O4晶格常数a=b=c=8.36,α=β=γ=90°,与实验值和其他人的计算值符合。同时还对上述三种模型的能带和态密度进行了计算,(1)块状BiFeO3的能隙为0.95eV,总态密度显示自旋向上与自旋向下情况相同。验证了块状BiFeO3反铁磁性的特征。在离费米能以下10eV,有一态密度较大区,经过比对这是Bi原子的价电子所做的贡献。从费米能到费米能以下8eV处的一片区域,Bi原子的态密度、Fe原子的态密度和O原子的态密度都有交叠,说明该处会有成键。(2)CoFe2O4在自旋向上处有约为0.57eV的能隙,而在自旋向下不存在能隙,反映其具有半金属性。Co原子与Fe原子的态密度自旋向上与自旋向下不对称,在费米能以下7eV附近存在一个峰值与总态密度相符。总态密度中从费米能到费米能以下6eV部分主要为O原子做得贡献,在费米能以下6eV附近与Co原子的态密度和Fe原子的态密度交叠明显。(3)界面处Co原子、Fe原子和O原子在极化方向不同时,态密度会发生变化。与界面处总磁矩发生变化吻合。
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