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BiFeO3 中各离子在铁电相变中作用本质的第一性原理研究

第一性原理

第7’卷第!期"%%M年!月

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物理学报

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本质的第一性原理研究!

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孙源!)黄祖飞!)范厚刚!)

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明星!)王春忠!)陈岗!)

(吉林大学材料科学与工程学院材料科学系,长春!)

(吉林师范大学凝聚态物理研究所,四平")

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采用基于密度泛函理论的广义梯度近似方法和赝势平面波法,对多铁材料)*+,-$的铁电反铁磁相和可能的高温顺电相的电子结构进行了第一性原理研究.计算验证了)*+,-$基态为/型反铁磁有序,+,离子的理论磁矩与实验值相符.铁电相变发生后,)*0&1态和&2态发生了电荷转移,)*0&1电子的作用更加明显.)345有效电荷的研究表明铁电畸变主要表现为)*原子的位移,并且电极化强度计算值很好地符合薄膜实验结果.部分态密度的计算表明使得)*0&2态与-0"2态的共价作用选择性增强,这)*0&2态的成键轨道与反键轨道间的能量劈裂大于其他电子态,

是铁电畸变的根本引发机理.)*0&1电子因静电斥力而发生了极化,且没有参与)*0&2轨道与-0"2轨道间的杂化,其电荷转移缘于其与-0"1,并因此而强化了&1态电子的极化,这种共价作用更利于"2轨道发生了微弱的共价作用,也是体系强电极化产生的原因.)*0-间的相对位移,

关键词:第一性原理,铁电性,铁电畸变,反铁磁性

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[$,(]

电极化的驱动力(弱)铁磁材.)*+,-$作为铁电反

!F引言

在料,具有很高的铁电HD4*,温度,!@约为!!%%I,室温和低温下表现出铁电性;同时有着比普通反铁

[]磁体更高的JK,>温度,!JL&($I7.+,离子的磁矩

多铁材料是指同时具有铁磁性、铁电性、铁弹性中两种或两种以上性质的材料,即当外加磁场、电场或应力时,这类材料的自发磁极化、自发电极化或自发形变的方向会发生相应的调整变化

[!]

面内以铁磁序排列,而在类钙钛矿立方结构的(!!!)在其相邻面之间是反铁磁排列.磁矩的方向是垂直于[!!!]方向的,属于/型反铁磁序.后来研究表明,其反铁磁亚晶格发生了一种倾斜排列,宏观下有磁

[&,6]效应出现,即所谓的弱铁磁序.

.由于其性

质的特殊性,不仅可以单独作为铁磁材料、铁电材料或铁弹性材料来使用,而且电极化、磁极化及铁弹性形变间的相互耦合作用使得这类材料有更广泛的应用

[!—$]

本文通过第一性原理计算验证了其反铁磁性基态,并且着重讨论)*离子,尤其是)*0&1,&2态对于铁电畸变的作用本质,以揭示铁电畸变的机理.我们发现驱动铁电畸变发生的作用机理并非是部分理论研究所提出的单纯的)*0&1孤对电子局域化效应,)*0&2态与-0"2态的共价作用选择性增强才是其根本引发机理,而&1孤对电子的极化是由这一机理引

.

近年来多铁材料引起了人们极大的关注,而研究较多的主要是同时具有铁电性和铁磁性的钙钛矿结构材料,)*G5-$和)*+,-$是这类材料中最有代表性的两种.已有的理论研究认为,与传统铁电材料不同,)*G5-$中)*0&1孤对电子发生局域方向化是铁

(批准号:、国家自然科学基金(批准号:与吉林省科技发展计划(批准号:资助9:;%&"7)7%&6"%$!)"%%&%7!!)!长江学者和创新团队发展计划

的课题.#80<=*>:?@A,5BC>D.,ED.@5

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