鎂鋁尖晶石等材料物性的理論研究.pdf

1、以鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)為代表的尖晶石系列材料廣泛地分布在自然界，它們豐富的物理化學性質在冶金、化工、建材、耐火材料等諸多領域有著廣泛的應用。尖晶石系列材料還在其它新興領域，如電子、信息、通信、家電、航空、航天、軍事、儀器、儀表、自動化等領域也表現(xiàn)出了良好的應用前景。對鎂鋁尖晶石系列材料的理論與應用研究已成為材料科學領域的研究熱點之一。本文運用密度泛函(DFT)理論平面波贗勢方法(PWP)，研究了鎂鋁尖晶石等材料的物理性質。

2、>　　 首先，模擬了鎂鋁尖晶石的高壓相變路徑，使用狀態(tài)方程和熱力學生成焓兩種方法計算了鎂鋁尖晶石三相的相變壓強。研究發(fā)現(xiàn)，第一種方法計算壓強較低的相變比較理想，當壓強較高時，誤差較大；第二種方法適用性較強，計算結果比較理想。對尖晶石相和兩個高壓相的彈性常數(shù)及體模量的壓致效應的研究發(fā)現(xiàn)三相彈性性質隨壓強變化均符合Murnaghan線性變化規(guī)律；對尖晶石相和兩個高壓相在壓力作用下的力學穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)尖晶石相在壓強0～30GPa的范圍內(nèi)力學

3、結構穩(wěn)定；兩個高壓相在所研究壓強的0～50GPa范圍內(nèi)力學結構穩(wěn)定。
　　 其次，利用尖晶石結構的特點，通過改變晶格中氧原子位置參量，使之在理想氧原子位置參量附近發(fā)生微小變化，從而設計了三種晶格畸變模型。研究了這種微弱的晶格畸變對鐵鉻尖晶石( FeCr2O4)彈性性質的影響。研究結果發(fā)現(xiàn)晶格結構的微小變化對彈性性質的影響很大。晶格微變使鐵鉻尖晶石的體模量減小。隨氧原子位置參量增大，楊氏模量增大，切變模量減少；通過對三種微變結構的

4、電子性質分析發(fā)現(xiàn)鐵鉻原子之間的電子交換作用是影響彈性性質變化的微觀起因。
　　 再次，系統(tǒng)地研究了過渡金屬離子摻雜的鎂鋁尖晶石A位和B位替代效應以及錳離子摻雜濃度的變化對摻雜晶體的電子結構和光學性質的影響。給出摻雜晶體晶格結構發(fā)生畸變的微觀起因以及晶格畸變的微觀模型；通過分析C03+離子在八面體替代中的自旋結構構型發(fā)現(xiàn)，CO3+離子在八面體替代的結構中以低自旋結構構型存在，即無自旋結構構型存在，這也是鈷離子很難實現(xiàn)八面體替代的一

5、個原因；通過對摻雜晶體電子結構的分析得出了摻雜離子與氧配體間的相互作用決定了摻雜晶體內(nèi)所發(fā)生的兩種光學躍遷過程；根據(jù)摻雜體系的電子結構解釋了所有摻雜體系吸收帶邊全部發(fā)生紅移以及在可見光甚至近紅外區(qū)出現(xiàn)明顯吸收的微觀起因；以錳離子四面體摻雜為例，研究了錳離子摻雜濃度的變化對晶格常數(shù)、電子結構和光學吸收系數(shù)的影響。說明了摻雜離子濃度的變化使晶格常數(shù)發(fā)生變化的微觀機制；分析了錳離子摻雜濃度的變化對摻雜晶體電子結構和光學吸收系數(shù)的影響。

6、　　 此外，系統(tǒng)地研究了具有與尖晶石高壓相CF相相同結構的鈣鐵礦類型堿金屬錳氧化物( CaFe2O4-XMn2O4，X=Li，Na)的電學和磁學性質。對理想鈣鐵礦結構的LiMn2O4的電磁性質研究發(fā)現(xiàn)，理想鈣鐵礦結構的LiMn2O4與實驗獲得的相同結構類型的缺氧型Li0.92Mn2O4性質一致，都是力學穩(wěn)定的電荷無序分布的反鐵磁半導體混價化合物；預測了具有相同結構類型的NaMn2O4是一種電荷有序、自旋有序和軌道有序的反鐵磁半導體混價