文档介绍：华东师范大学
硕士学位论文
金红石结构超晶格的第一原理计算
姓名:韩景梅
申请学位级别:硕士
专业:凝聚态物理
指导教师:谢文辉
201105
摘要
摘要
近年来,基于密度泛函理论的第一性原理(Frist—principle或ab initio) 计算方法已经成为科学研究的重要手段。特别是近半个世纪高速计算机的发展和应用,第一原理计算方法已经成为研究和开发新材料的一种重要的方法。
过渡金属氧化物以其特殊的物理性质,在很多领域都有重要的应用价值。上个世纪开始,科学工作者们就对具有金红石结构的过渡金属氧化物二氧化铬(CrO。)、二氧化钛(Ti 02)、二氧化钒(V02)、二氧化铷(RuO。)、二氧化铱(Ir02)、二氧化锆(Zr02)、二氧化锡(SnO。)、二氧化锰(MnO。)在理论上和实验上做过深入细致的研究,并且有许多相关的研究报道n捌。这类氧化物已经在工业中得到广泛的应用。近年来,随着技术不断提高,原子层可控生长在实验上已经可以通过外延技术实现。有相同结构的Cr0。,TiO。和VO。晶格失配在4%以内,这意味着在一定的条件下可以得到CrO。/TiO:和Cr02/VO。的异质超晶格结构。考虑到纳米系统的复杂性,运用第一性原理计算方法研究和探索其性质,具有重要的意义。
本文运用第一性原理计算方法系统研究了下列四种情况:1、以CrO:晶格常数作为原胞基矢沿(001)方向构建超晶格,该超晶格中的Cr层和Ti层以一定比例沿(001)方向有序排列,用(CY02)m/(Ti02)n表示。2、以Cr02晶格常数作
为原胞基矢沿(001)方向构建超晶格,该超晶格中的Cr层和V层以一定比例沿
(001)方向有序排列,用(Ct02)m/(V02)n表示。3、以TiO。晶格常数作为原胞基矢沿(001)方向构建超晶格,该超晶格中的Ti层和cr层以一定比例沿(001) 方向有序排列,用(Ti02)m/(Cl'02)n表示。4、以V02晶格常数作为原胞基矢沿(001) 方向构建超晶格,该超晶格中的V层和cr层以一定比例沿(001)方向有序排列, 用(v02)m/(cr02)n表示,本文中我们研究了m,n=l,2,3的情况。计算结果显示(Cr02)m/(Zi02)n和(Ti02)m/(Cr02)n经过优化后,,而Cr-O 键的键长变短。(C102)m/(V02)n和(V02)m/(Cr02)n优化前后键长键角也都有变化, 但是变化具有随机性。我们对超晶格(Ti02)m/(C1"02)n和(V02)m/(C102)n做体积优化,固定a,b轴的值,改变c轴值的大小,发现大部分超晶格的c轴没有明显的收缩和伸展。除了Ⅳ02)2/(Cr02)2超晶格,这四类超晶格都具有铁磁半金属性
摘要
质。超晶格中每个cr原子贡献2№的磁矩,每个Ti原子的磁矩为0p,a,每个V 原子贡献1№的磁矩,这个值并不随着Cr、Ti、V层所占比例变化而变化。对于(Cr02)@(Ti02)II和(Ti02)J(Cr02h超晶格,其自旋向下电子态带隙与Cr02自旋向下带隙相差不大,且当Ti原子层一定时,随着Cr原子层的增加,带隙会逐渐变小。对于(Cr02)m/(v02)n和(V02)m/(Cr02)n超晶格,其自旋向下电子态带隙要小于Cr02自旋向下带隙。对比单胞中Cr02的Cr的t29态,由于Ti原子的作
用,超晶格(Cr02)d(Ti02)n和(Ti02)=/(Cr02)n中Cr的t29态向高能量方向移动, 而(Cr02)m/Ⅳ02)n和(V02)d(Cr02)n中由于V原子的作用Cr的t29态向低能量方向移动。
ABSTRACT
Recently,first-principle calculation based on density functional theory es a popular means of scientific research ,first—principle calculation became important method of researching and designing new type materials with the application of high—puters.
Transition metal oxides have momentous application value because of the special physical investigated chromium dioxide(Cr02),titanium dioxide(Ti02),vanadium dioxide(V02