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为解决多铁性材料在室温下实现电磁有序及应用中存在的问题，研究人员通过第一性原理计算，研究 X=B/C/N/F@O 取代 BaTiO?的特性。发现 F@O 取代结构具 n 型半金属性，且原始 / 取代结构 ZT 值高，对器件设计有意义。
在信息技术与能源材料领域，寻找兼具优异电学、磁学和热输运性能的多功能材料一直是研究热点。多铁性（MF）材料因同时具备铁电、铁磁等多重有序性，在数据存储、传感器等领域展现出巨大潜力，但其在室温下难以同时实现稳定的电磁耦合，且面临铁电材料极化强度（P）与磁电耦合效率不足的挑战。例如，传统铁电钙钛矿氧化物（PO）如 BaTiO?（BTO）虽具备较高极化强度，但纯相时为非磁性绝缘体，限制了其在自旋电子学等交叉领域的应用。而通过元素掺杂调控电子结构，有望赋予材料新特性，但如何平衡掺杂引起的结构畸变与功能优化仍是难题。此外，开发高热电优值（ZT）的材料对废热回收、固态制冷等技术至关重要，传统热电材料因性能瓶颈难以满足高效能量转换需求，因此探索新型多功能材料体系具有迫切的现实意义。
为突破上述瓶颈，来自沙特阿拉伯泰夫大学（Taif University）和巴基斯坦萨戈达大学（University of Sargodha）的研究团队开展了相关研究。他们利用自旋极化密度泛函理论（DFT）结合广义梯度近似 + 哈伯德参数 + 修正贝克 - 约翰逊势（GGA+U+mBJ）的第一性原理计算方法，系统研究了原始（prist.）及 X=B/C/N/F 原子在氧位（O-site）取代（subst.）的 BaTiO?（BTO）钙钛矿氧化物的铁电、电子、磁性及热电特性。研究成果发表在《Computational and Theoretical Chemistry》，为多铁性与热电材料的设计提供了新理论依据。
研究主要采用了以下关键技术方法：基于 Wien2k 软件的全势线性化增强平面波（FP-LAPW）方法进行自旋极化 DFT 计算，使用 GGA+mBJ 泛函并引入 U 参数描述 Ti 的 3d 电子状态，通过计算形成焓（ΔHf）评估取代结构的热力学稳定性，结合总态密度（TDOS）与分波态密度（PDOS）分析电子结构，通过计算极化强度（P）和 O-Ti-O 键角表征铁电性能，利用自旋磁矩（ms）和总磁矩（mt）研究磁性特征，并通过热电优值（ZT）评估热输运性能。
结果与讨论
结构稳定性与铁电性能
通过形成焓计算发现，所有 X@O 取代的 BTO 结构均具有负的 ΔHf，表明其热力学稳定。原始 BTO 的极化强度（P）为 28 μC?cm?2，与实验值（26 μC?cm?2）吻合，验证了计算方法的可靠性。然而，X 取代导致结构畸变程度降低，使得 P 值不同程度下降，其中 F@O 取代的 BaO 层结构对极化的影响相对较小，仍保留了一定铁电特性。
电子结构与半金属性
原始 BTO 在 GGA+U+mBJ 计算下呈现非磁性绝缘特性，带隙（Eg）为 3.5 eV，与实验完全一致。令人惊喜的是，F@O 取代的 BaO 层结构展现出 n 型半金属（HM）特性：在自旋多数通道中存在高达 3.3 eV 的巨大带隙，足以抑制反向漏电流，确保半金属态的稳定。这种独特的电子结构使其在自旋电子器件中具有潜在应用价值。
热电性能
原始及 F@O 取代的 BaO 层结构在 300 K 时展现出高达 1.04/1.05 的热电优值（ZT），突破了传统热电材料 ZT≈1 的瓶颈。高 ZT 值源于优化的电子传输性能与合适的热导率匹配，表明这类材料在室温热电能量转换领域具有显著优势。
结论与意义
本研究通过第一性原理计算，系统揭示了 B/C/N/F@O 取代对 BTO 钙钛矿氧化物多物理特性的调控机制。首次发现 F@O 取代的 BaO 层结构兼具 n 型半金属性与较高铁电极化强度，为设计室温多铁自旋电子器件提供了新候选体系。同时，原始与取代结构的高热电优值（ZT>1）为热电材料的开发开辟了新方向。研究结果不仅深化了对钙钛矿氧化物中掺杂效应的理解，还为跨学科领域（如自旋电子学与能量转换）的材料设计提供了理论指导，有望推动相关器件的实际应用。
