取代离子对取代型膨润石性能影响的原子尺度模拟
材料科学
2025-06-10 v1
摘要
本研究考察了掺杂四价（\ce{Si^{4+}}）、三价（\ce{Co^{3+}}）和二价（\ce{Ca^{2+}}、\ce{Mg^{2+}}、\ce{Sn^{2+}}）离子所取代的Mn-Zn膨润石（ nominal composition \ce{Mn_{0.5}Zn_{0.5}Fe2O4}，MZF）。我们全面分析了在特定四面体和八面体晶体学位点上的掺杂如何调制自旋晶格的结构稳定性、电子能带结构、磁各向异性和电导率。采用密度泛函理论（DFT）结合布尔赫运输理论，探讨了原生和掺杂MZF系统的热电和声子传输特性。形成能计算表明，\ce{Si^{4+}}、\ce{Ca^{2+}}和\ce{Mg^{2+}}掺杂可增强MZF的热力学稳定性，而\ce{Co^{3+}}和\ce{Sn^{2+}}掺杂具有略高的形成能，表明其稳定性相对较低。电子结构分析确认所有掺杂变体均保持有限带隙，保持其半导体性质。磁各向异性能（MAE）计算表明，具有混合八面体/四面体掺杂的膨润石显示更窄的MAE分布，表明其磁各向异性更均匀。热电性质在300 K下的分析表明，任一晶体学位点的多价离子掺杂都会降低电导率（）的同时增强Seebeck系数（）。这种反相关性突显了掺杂诱导的权衡效应，可能由掺杂位点处载流子散射的增加以及近Fermi能级电子态密度的修改所致。
引用
@article{arxiv.2506.06676,
title = {Atomistic Simulations of Cation Distribution and Defect Effects on the Performance of Substituted Ferrites},
author = {Jiahao Li and Kusma Kumari Cheepurupalli and Niall J. English and Sateesh Bandaru and Xuefeng Zhang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2506.06676},
year = {2025}
}