通过高熵工程技术提升(Ba0.15Pb0.15Ag0.1Na0.2Cu0.2Bi1.2)Sr2Co2Oy陶瓷的热电性能

《Materials Science and Engineering: B》：Enhancement of the thermoelectric properties of (Ba 0.15Pb 0.15Ag 0.1Na 0.2Cu 0.2Bi 1.2)Sr 2Co 2O y ceramics by high-entropy engineering

压电材料多铁性BiFeO?及其掺杂体系通过DFT计算研究，发现Mo和Sm单掺杂及共掺杂可显著提升压电性能（d33最高达103.45 pC/N，e33达13.25 C/m2），同时拓宽带隙至2.97 eV并降低弹性刚度，揭示掺杂对电子结构、磁有序及压电响应的协同调控机制。

　　这项研究聚焦于铁电材料，尤其是铋铁氧体（BFO）及其掺杂变种，在先进电子和传感应用中的重要性。BFO以其多功能特性而著称，例如其在常温下同时表现出强铁电性和反铁磁性，这使其成为下一代多功能电子设备的有前景候选材料。此外，BFO还具有较高的居里温度（约1103 K）和显著的自发极化（可达90 μC/cm2），这些特性使其在需要室温下耦合电与磁响应的应用中尤为吸引人。然而，纯BFO的实际应用常常受到高漏电流、弱压电耦合和结构不稳定等挑战的限制。因此，研究人员探索了多种化学修饰策略，特别是通过在B位掺杂过渡金属或稀土元素来替代BFO钙钛矿结构中的铁元素。这些掺杂方法不仅有助于稳定晶体结构，还能调整电子带结构，增强极化，并改善弹性和压电响应。

本研究采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，结合Materials Studio平台中的CASTEP代码，对BFO及其掺杂变种进行系统性研究。研究方法包括几个关键步骤：首先，对Fe?O?进行优化的晶体结构计算；其次，对弹性、电子和压电特性进行全面表征；第三，通过铋掺杂构建并评估BFO。接着，使用三种过渡金属（Mn、Mo、Ni）和三种稀土元素（La、Ce、Sm）对BFO进行掺杂研究，并从每一系列中识别出最佳掺杂元素，用于后续的共掺杂实验。这种多方面的方法有助于建立基本的结构-性能关系，并阐明掺杂对BFO性能提升的机制。

研究结果表明，通过有针对性的掺杂，特别是Mo和Sm的掺杂，可以有效调节BFO的多功能特性。Mo掺杂的BFO（MoBiFe?O?）表现出较高的纵向压电系数（d?? = 67.97 pC/N），而Sm掺杂的BFO（SmBiFe?O?）则展现出显著的压电应力常数（e?? = 8.25 C/m2）。当同时掺杂Mo和Sm（MoSmBiFe?O?）时，这些效应被进一步放大，达到最高的d?? = 103.45 pC/N，e?? = 13.25 C/m2，同时扩大了带隙（2.97 eV），并降低了弹性刚度（C?? = 84.23 GPa），表明其在电-机械耦合方面具有优越性能。频率依赖的分析显示，材料在低频下的介电允许率（ε’ ≈ 165）有所增强。这些发现表明，Mo和Sm的掺杂能够显著提升BFO的压电性能，使其成为高性能压电器件的有前景材料。

在计算方法方面，所有计算均使用Materials Studio平台中的CASTEP代码进行。计算中采用了Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函，结合广义梯度近似（GGA）以考虑交换-相关相互作用。为了更准确地描述铁元素的强局域库仑相互作用，研究中还应用了Hubbard U修正（GGA + U）。结构优化采用Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno（BFGS）最小化方法，以获得完全放松的晶体结构。通过这些计算方法，研究人员能够系统地研究材料的结构、电子、弹性和压电特性，并探索不同掺杂元素对这些性能的影响。

研究中准备了9种样品，其结构在图1中进行了展示。图中s和T分别代表结构的侧视图和顶视图。Bi原子占据结构的角落，而Fe原子位于原点。研究涉及立方相的铋铁氧体，采用了GGA和PBE泛函以及自旋极化。首先，对所有结构进行了结构优化。在表1中，展示了所有准备样品的优化结构参数。自旋极化的总能量计算表明，掺杂元素对材料的磁序和电子结构产生了显著影响，这有助于理解其在不同应用环境下的行为。

通过DFT计算，研究人员能够深入分析BFO及其掺杂变种的电子结构和磁序。这些计算不仅揭示了材料的内在特性，还为优化其性能提供了理论指导。例如，Mo和Sm的掺杂能够有效提升压电性能，同时改变材料的带隙和弹性响应。此外，研究还发现，掺杂元素的引入可以显著增强材料的介电允许率，特别是在低频下。这些发现对于设计具有定制性能的先进压电材料具有重要意义，特别是在需要高电-机械耦合的器件中。

总的来说，这项研究通过系统的DFT计算，揭示了BFO及其掺杂变种的结构、电子、弹性和压电特性。研究结果表明，通过选择适当的掺杂元素，可以显著提升材料的性能，使其更适用于实际应用。同时，研究还强调了计算方法在材料科学中的重要性，特别是在理解复杂材料行为和指导实验合成方面。这些发现不仅为BFO的研究提供了新的视角，也为未来开发高性能压电材料奠定了理论基础。