博士论文-功能材料的X射线吸收谱学及第一性原理研究

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题名	博士论文-功能材料的X射线吸收谱学及第一性原理研究
作者	徐伟
学位类别	博士
答辩日期	2010
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	吴自玉
关键词	功能材料 X射线吸收谱学第一性原理掺杂局域结构扭曲
学位专业	凝聚态物理
中文摘要	与新能源、环境和高科技产业密切相关的热电、介电和超导等新型功能材料是国际上研究的热点，已成为推动产业发展和占领相关技术领域的国际制高点的关键，受到世界各国政府和国际大企业高度重视。热电材料在诸如航天器上制冷器件、环保型汽车中废热排放直接转化为电能等方面有重要应用，提高热电转化效率是研究的主要目的；高介电材料可以缩减晶体管尺寸提高存储容量，并降低漏电流的热损耗。如最近英特尔公司突破65nm 的芯片技术瓶颈主要得益于高κ材料HfO2的应用。稳定、高介电常数是新型介电材料发展的目标；超导材料没有热损耗，能够提供大功率的能量存储。铁基高温超导体被认为是理解高温超导机制的模型体系，受到特别的关注。; 尤其引人瞩目的新型多功能材料研究已经成为一种趋势，如La2CuO4、REFeAsO, Na2-xCoO4体系同时具有热电性和超导性，Ca3Co4O9体系具有巨磁阻和热电性， CaCu3Ti4O12体系具有高介电特性和压敏电阻特性等。这些材料中的一大类是稳定性好且易制备的复杂氧化物，其热和电的输运性质与结构密切相关。特别是通过掺杂手段使得结构更加复杂，但可调控和优化输运性质，多数情况下常规的XRD表征结构的手段难于给出掺杂位点、空位、局域扭曲等信息。X射线吸收谱学方法具有元素选择和局域敏感等特点，对于掺杂体系是一种独特的研究工具。此外，第一性原理计算能够给出体系的基态电子结构并据此计算体系的输运性质，与X射线吸收谱研究相结合是复杂体系研究的有力手段。本文结合X射线吸收谱学和第一性原理计算的方法，研究了若干复杂氧化物功能材料的局域结构及输运性质，讨论了材料掺杂改性机理及性能的关系，在以下几个方面获得了创新性结果：; 1) 研究了固相法烧结法制备的具有双钙钛矿型结构的CaCu3Ti4O12 (CCTO) 过渡金属Mn掺杂体系。发现Mn离子在CCTO中的掺杂位点具有选择性和掺杂引起明显的氧缺陷，结合第一性原理计算结果，首次提出了CCTO掺杂诱导的高介电性失效的IBLC (Internal Barrier Layer Capacitor) 机制，解释了CCTO高掺杂后的介电常数与纯样的介电常数相比降低几个数量级的现象。; 2) 研究了天然生长的层状结构的单晶云母矿物，利用吸收谱拟合的方法，发现中间层钾原子周围的局域结构扭曲，指出多元素单位点占据对极化谱的影响。提出对层状、开放的晶体结构体系，muffin-tin势在沿着Z轴方向的局限性。; 3) 研究了固相法烧结钙钛矿型La2CuO4掺杂过渡金属体系。本文利用X射线吸收谱确定了过渡金属在体系中的掺杂位点，利用小极化子的导电机制解释体系电阻率与Seebeck系数随温度变化趋势。第一性原理计算表明了体系中的导电层为CuO2面，提出体系由金属向半导体性导电机制的转变，是由于CuO2完整导电面被破坏引起的机制。; 4) 研究了固相法合成的四方相铁基超导体REFeAsO掺杂体系（形成O缺陷）。通过稀土金属离子的L3边和As的K边吸收谱揭示了氧缺陷对电子结构的影响，指出不同稀土体系吸收谱实验谱谱峰特征差异是由于氧缺陷引起的，通过第一性原理计算揭示了FeAs层为主要的导电层，表明掺杂引起的无序是超导温度提高的主要原因。; 5) 研究了固相烧结法合成并具有错位层状结构的Ca3Co4O9体系。通过研究Ca 元素K边和Co元素K边多位点吸收谱，指出导电层CoO2具有完整的晶体结构，而绝缘层Ca2CoO3中存在局域结构扭曲，此外第一性原理计算表明体系的导电层为CoO2层，并发现Ca2CoO3具有自旋极化依赖的输运性质。
语种	中文
学科主题	凝聚态物理
公开日期	2016-02-25
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ihep.ac.cn/handle/311005/210239]
专题	多学科研究中心_学位论文和出站报告高能物理研究所_多学科研究中心
作者单位	中国科学院高能物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	徐伟. 博士论文-功能材料的X射线吸收谱学及第一性原理研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2010.