鉿酸鹽燒綠石幾何與電子結(jié)構(gòu)的第一性原理研究.pdf

1、燒綠石，理想結(jié)構(gòu)表達(dá)式為A2B2O7，其中A為蘭價(jià)或二價(jià)陽離子，B為四價(jià)或五價(jià)陽離子，其組分的不同導(dǎo)致該類型材料種類繁多，目前已有近500種合成化含物。這些化合物表現(xiàn)出諸如鐵電性、快速離子傳導(dǎo)、鐵氧體磁性、發(fā)光、巨磁致電阻等各種物理、化學(xué)和電子特征，使得它們在催化、壓電、熒光、燃料電池和其它類似器件中有著廣泛的應(yīng)用。由于燒綠石型材料有很重要的科學(xué)應(yīng)用價(jià)值，所以無論在理論還是在實(shí)驗(yàn)上都受到了人們的廣泛關(guān)注。到目前為止,在燒綠石型化合物中，

2、鈦酸鹽和鋯酸鹽燒綠石得到了大量的研究，但對(duì)鉿酸鹽燒綠石的研究報(bào)道還比較少。 由于計(jì)算水平和計(jì)算方法的不斷提高，密度泛函理論方法(Density Functional Theory,DFT)發(fā)展迅猛，目前已廣泛應(yīng)用于過渡金屬體系的理論研究。第一性原理計(jì)算方法已經(jīng)被證明為一種有效的獲得材料結(jié)構(gòu)、電學(xué)特征以及能量性質(zhì)的工具。本文采用基于密度泛函理論的廣義梯度近似方法，系統(tǒng)研究了鉿酸鹽燒綠石的幾何與電學(xué)性質(zhì)。主要內(nèi)容如下： 1.

3、詳細(xì)研究了A2Hf2O7(A=La，Gd)的幾何結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)。我們計(jì)算了各種缺陷形成能以用來解釋La2Hf2O7和Gd2Hf2O7的穩(wěn)定性。態(tài)密度分析表明，一方面，這兩種化舍物的態(tài)密度分布關(guān)系差異較大，另一方面,兩種化合物中A 5p,O 2s以及A 5d,O 2p這些軌道之間發(fā)生雜化作用。莫里根電荷分析表明，Gd2Hf2O7中的和鍵比La2Hf2O7中相應(yīng)鍵的離子性強(qiáng)，但Gd2Hf2O7中

4、>鍵的共價(jià)性則更強(qiáng)，我們推測和鍵可能在La2Hf2O7和Gd2Hf2O7輻照誘導(dǎo)非晶化性能方面起了很大作用。 2.初步探索了A2Hf2O7(A=Dy，Ho，Er)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及抗輻照性能。計(jì)算得到的三種化合物的晶格參數(shù)與實(shí)驗(yàn)值吻合得較好。此外，我們計(jì)算了陽離子反位的缺陷形成能、弗倫克爾對(duì)、陽離子反位/弗倫克爾對(duì)缺陷形成能以及填隙原子缺陷形成能。計(jì)算結(jié)果表明，Er2Hf2O7的缺陷螢石結(jié)構(gòu)比燒綠石結(jié)

5、構(gòu)更穩(wěn)定，這與以前的研究結(jié)果是一致的。對(duì)于Dy2Hf2O7和Ho2Hf2O7，燒綠石結(jié)構(gòu)則比缺陷螢石結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，但陽離子反位/弗倫克爾對(duì)缺陷形成能很小，表明很容易形成缺陷的螢石結(jié)構(gòu)，在輻照條件下有比較強(qiáng)的抗輻照性能，不容易發(fā)生菲晶化，而且隨著A離子半徑的減小，鉿酸鹽燒綠石更容易形成缺陷的螢石結(jié)構(gòu)。Dy2Hf2O7的研究結(jié)論與最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是一致的，但是不支持早期的研究結(jié)果,而對(duì)于Ho2Hf2O7，我們的計(jì)算結(jié)果說明它是燒綠石結(jié)構(gòu)，這與早