文献综述
钙钛矿化合物ABO3因为相对简单的晶体结构和比较低的点群对称性，往往具有丰富的物理和化学性质，如铁电、压电、声光、电光、电磁效应、金属绝缘体相变、巨磁阻效应等等。这些特性使它们在太阳能、电子信息材料、超导材料、光催化反应及热电等领域都有广泛的应用前景，成为研究领域的一大热点[1]。
钛酸钡（BaTiO3）晶体是一种典型的钙钛矿结构的铁电材料，在常温下属于四方晶系，具有显著的铁电性。首先，该材料具有电滞回线。电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。铁电体的第二个重要特征是存在一个临界温度，即铁电居里温度Tc。铁电晶体的第三个重要特征是具有临界特性，即它的介电、弹性、热学和光学等性质在Tc附近出现反常现象。在居里温度时介电常数达到最大，出现介电反常。当温度高于Tc时，介电常数与温度的关系服从居里-外斯定律。铁电晶体本身是介质晶体、压电晶体、热释电晶体的一个亚族，所以铁电晶体必然具有介电、压电、热释电性质[2]。
当前，对BaTiO3的研究主要集中于掺杂改性，包括等价离子掺杂和不等价离子掺杂。Nakayama等人利用基于第一性原理理论框架下的局域自旋密度近似方法，对3d过渡金属(从Sc到Cu)掺杂的BaTiO3体系进行总能计算，预测在Cr、Mn和Fe掺杂的BaTiO3中有望形成铁磁有序。J. S. Lee等人利用直接离子注入技术在单晶BaTiO3氧化物钙钛矿中分别注入Co 和Mn，经过700℃的退火处理产生铁磁性；R.Maier等人采用脉冲激光沉积法制备了高Fe掺杂浓度的赝立方Ba(Ti1-xFex)O3(0.5le;xle;0.75)外延薄膜，发现在具有类似掺杂浓度x的情况下，相应的块体化合物为六方结构，而薄膜的结构为赝立方相，并且薄膜同时具备了远高于室温的铁电性和亚铁磁性[3]，这些结果基本与上述预测取得了一致。在对BaTiO3掺杂改性的研究中，研究的方向很多，比如：Peng等人采用第一性原理密度泛函理论框架下的平面波超软赝势方法，计算分析了不同浓度Y元素掺杂对BaTiO3的电子结构的影响发现，随着不同浓度Y的掺杂，BaTiO3的导电性得到了改善[4]；Tan等人采用基于自旋极化密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了轻元素B掺杂BaTiO3体系，发现B 元素掺杂的BaTiO3体系结构稳定[5]。
YTiO3是钙钛矿结构的复合氧化物，具有较窄的3d轨道和较强的相互作用库仑力，表现出独特的电子特性、磁性和光学性质。众所周知，Mott-Hubbard绝缘体具有过量的d轨道电子，这使得它们在具有有序磁性参数的介电材料中有着很好的应用前景。大多数Mott-Hubbard 绝缘体都具有一个反铁磁性的基态，但具有正交钙钛矿结构的YTiO3晶体中Ti原子只有一个d轨道电子，是一种罕见的具有铁磁性的Mott-Hubbard 绝缘体材料。在30K以下YTiO3晶体表现出铁磁性的原因极为复杂[1]。针对这一独特性，研究者们纷纷展开了研究：Huang等人在利用第一原理的密度泛函理论研究LaTiO3基板上生长的YTiO3薄膜的磁基态的外延应变效应对YTiO3薄膜磁性基态的影响时，预测了一种新的磁性地面A型反铁磁体，这种稳健的A型AFM相由LaAlO3基底诱导的面内压缩应变稳定。此外，状态密度计算证实绝缘行为和能隙不会受到这种应变驱动的磁转变的显著影响[6]。YTiO3掺杂同BaTiO3掺杂类似，掺杂后YTiO3的磁性等方面都会发生一定的改变。Li等人利用非弹性中子散射与动态配对密度函数(DPDF)分析,研究了在轨道上活跃的Y1-xLaxTiO3穿过反铁磁(AFM)到铁磁(FM)相边界时的磁性和晶格动力学，表明键角Ti-O-Ti在确定磁性基态和轨道有序性方面起着重要的作用。根据理论计算，通过增强倾斜稳定的FM相有利于反铁-轨道有序性的存在。此外，GDOS结果清楚地表明，不同的声子模式在相图的AFM和FM末端具有热活性[7]。为了进一步了解YTiO3电子特性、磁性等，许多研究者研究了带有YTiO3物质的超晶格的结构与磁性。例如：Zhou等人利用第一原理计算了(YTiO3)2/(BaTiO3)n超晶格的磁性质和电子结构，发现在YTiO3组件中，平面压缩应变导致a型反铁磁秩序。另外，在钛酸钡钛离子层表现出弱铁磁n=4时，界面附近BaTiO3层的铁磁性与钛酸银的极性不连续和BaTiO3的铁电极化有关[8]。Zhang等人研究了由Mott绝缘子(YTO)和带状绝缘子(STO)组成的短周期STO/ YTO超晶格的结构、磁性和电子特性，利用密度泛函理论加U法，发现绝缘金属过渡在施加压缩应变时发生，电子过渡还会伴随着结构相变恢复反演对称性[9]。Weng等人利用LDA U方法研究了LaTiO3薄膜的双轴压缩和拉伸应变的磁序。LaTiO3是和YTiO3类似的物质，研究LaTiO3的磁序对YTiO3磁序的研究也会有所帮助。实验结果发现，对于压缩应变，已经发现从G型AFM到A型AFM的相变，并且当应变增加时，该过渡更加稳健。此外，计算结果表明，外延应变下的磁跃迁并不会改变LaTiO3的绝缘事实[10]，那么在YTiO3中是否也有相似的结果呢？
近年来的研究表明, 通过在BaTiO3的钙钛矿结构中引入磁性离子，能够获得稀磁特性，从而使钛酸钡基材料同时具备铁电性和铁磁性，这已成为探索新型多铁性材料的重要方向之一。由于YTiO3具有很好的铁磁性，BaTiO3具有显著地的铁电性，两者的复合可以为铁磁和铁电的共存耦合提供有利条件，所以本课题以YTiO3和BaTiO3为主要研究对象，通过了解这两种材料的晶体结构、磁性有序和电子结构等设计出不同结构的铁电和铁磁复合体系Y0.5Ba0.5TiO3，并研究其的对称性破缺、氧八面体畸变、轨道重构、电子转移等自旋磁性的自旋磁性结构和能带结构的影响，探讨铁磁性和铁电极化同时存在的可能结构和磁电耦合。由于具有磁电耦合性质，即可用磁场改变铁电极化状态或用电场改变磁化状态，因而多铁材料具有重要的潜在应用，例如磁化和极化的性质可单独的用于信息存储，因为磁记录读取速度快而写入慢，铁电记录读取复杂而写入快，使用多铁性材料将引领使用电进行写操作而用磁进行读操作的新一代存储器件[11]。
当今世界，科学技术飞速发展，各类科技产物层出不穷，人们对这些科技产品的需求量日益增加。组成这些产品的材料朝着微型化、高频化、多功能化方向发展。多功能复合材料成为研究的热点领域。多功能复合材料是指具有电、磁、光、热、力及其耦合的机电、磁电、电光等性质中的两性或多性的材料，其潜在应用领域包括电写磁读或电写电读存储记忆材料、换能器、传输器、传感器、自旋电子器件等。铁电/铁磁复合材料是其中的一类同时具有铁电性和铁磁性的材料。自然界中很少有同时兼容铁磁性和铁电性的单相材料[12]。一是因为传统的铁电性和磁性产生的机制相矛盾，铁电性要求偏离正负电荷中心位置的离子的d轨道电子占据为空，而电磁性通常要求具有部分占据的d轨道。因此，偏离正负电荷中心位置形成电偶极矩的原子和形成磁矩的原子应该是不同的。二是因为铁电体材料通常是绝缘体，而铁磁体一般体现金属性。一旦样品导电，即便结构是非中心对称的，也将抑制体系的铁电行为。另外，单相多铁材料因为居里温度低、磁电效应弱等原因使多铁材料在自旋电子器件中的实际应用收到了限制。所以通过其他的一些途径来获得较大的铁磁性和较强的磁电耦合来提升材料的应用空间成为人们的研究方向[13]。目前，对于掺杂BaTiO3获得铁电/铁磁的研究已经有了很多成果，但对BaTiO3的掺杂磁性研究主要集中在Fe的B位替代上，A位替代的研究还比较少，所以探究铁电和铁磁复合体系Y0.5Ba0.5TiO3的磁性和能带结构具有重要的科学意义。
参考文献
[1]刘立伟. 复合氧化物YBO3的结构与性质的理论研究[D]. 河北工业大学, 2011:1-3.
[2]王爽. 超高温BaTiO3复合材料铁电机理研究[D].天津大学, 2009: 15.
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
