有序α-(Ga1-xFex)2O3结构与性质的第一性原理研究

摘要

本文采用了基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对 (Ga1-xFex)2O3系列晶体的晶体结构、电子性质和光学性质进行研究。以(Ga1-xFex)2O3晶格参量的实验值作为参考,建立了晶胞结构,采用 GGA+U 方案,对 α-Ga2O3、α-Fe2O3、GaFeO3-A、GaFeO3-B、α-(Ga1/4Fe3/4)2O3、α-(Ga3/4Fe1/4)2O3和GaFeO3-C晶体进行几何结构优化。以优化后的晶体结构为基础,对晶体的总能量、电子性质和光学性质进行计算研究和对比分析,获得的主要结论如下：
　　七种晶体结构优化后的晶格参量与实验值相符合。α-Fe2O3、GaFeO3-A、GaFeO3-B、GaFeO3-C、α-(Ga1/4Fe3/4)2O3和α-(Ga3/4Fe1/4)2O3晶体的反铁磁态(AFM)比铁磁态(FM)更稳定；GaFeO3-A、GaFeO3-B 和 GaFeO3-C 中 GaFeO3-A 的总能量最低,稳定性最好。GaFeO3-C是直接带隙半导体；而α-Ga2O3、α-Fe2O3、GaFeO3-A、GaFeO3-B、α-(Ga3/4Fe1/4)2O3和 α-(Ga1/4Fe3/4)2O3 均是间接带隙半导体。刚玉型的 α-Ga2O3、α-Fe2O3、GaFeO3-A 和GaFeO3-B的吸收系数、光电导率和复介电函数在(100)、(010) 和(001)三个方向的曲线几乎完全相同；而钙钛矿型GaFeO3则不同,为各向异性。α-Ga2O3晶体在可见光范围没有吸收,完整的α-Ga2O3晶体应该为透明晶体；α-Fe2O3、GaFeO3-A、GaFeO3-B和 GaFeO3-C晶体在可见光下都有一定的吸收,会有一定量电子-空穴对产生；这五种晶体在可见光光吸收范围不同,Fe 含量越多则在可见光的吸收范围越大；钙钛矿型 GaFeO3比刚玉型 GaFeO3可见光吸收范围要大。五种晶体光电导的实部σ1最大值按从大到小顺序排列如下：α-Ga2O3、GaFeO3-C、GaFeO3-A、GaFeO3-B 和 α-Fe2O3。分析表明, Fe 含量的变化能够调节(Ga1-xFex)2O3系列晶体的光学性质,这对实验研究具有重要的参考意义。

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第一章 绪论

§1-1二元复合氧化物(Ga1-xFex)2O3及研究进展

§1-2研究的意义与内容

第二章 理论基础与计算方案

§2-1 密度泛函理论（DFT）

§2-2 软件介绍

§2-3 计算方案

第三章 (Ga1-xFex)2O3的晶体结构和电子性质

§3-1引言

§3-2计算方案与收敛性测试

§3-3刚玉型Ga2O3的晶体结构和电子性质

§3-4刚玉型Fe2O3的晶体结构和电子性质

§3-5刚玉型GaFeO3的晶体结构和电子性质

§3-6刚玉型(Ga3/4Fe1/4)2O3的晶体结构和电子性质

§3-7刚玉型(Ga1/4Fe3/4)2O3的晶体结构和电子性质

§3-8 钙钛矿型GaFeO3的晶体结构和电子性质

§3-9 本章小结

第四章 (Ga1-xFex)2O3的光学性质

§4-1 引言

§4-2 刚玉型Ga2O3的光学性质

§4-3刚玉型Fe2O3的光学性质

§4-4刚玉型GaFeO3-A的光学性质

§4-5刚玉型GaFeO3-B的光学性质

§4-6 钙钛矿型GaFeO3的光学性质

§4-7 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间所取得的相关科研成果