有序α-(Ga1-xFex)2O3结构与性质的第一性原理研究

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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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