稀土元素掺杂调控Ba0.5Sr0.5Co0.5Fe0.5O3电子构型与磁性的机制研究

针对BSCF钙钛矿氧化物磁性调控机制不明确的问题，研究人员通过密度泛函理论系统研究了稀土元素掺杂对Ba0.5Sr0.5Co0.5Fe0.5O3电子结构和磁性能的影响。发现轻稀土元素降低Co 3d轨道自旋极化率，而Dy/Er/Tm通过4f-3d轨道杂化增强磁耦合，揭示了掺杂浓度与磁性的非线性关系，为高性能磁性材料设计提供理论指导。

　　

在新能源与电子信息产业快速发展的背景下，高性能磁性材料的需求急剧增长。Ba_0.5Sr_0.5Co_0.5Fe_0.5O₃（BSCF）钙钛矿型铁氧体因其独特的磁性能成为研究热点，但其磁性能调控机制尚不明确。稀土元素凭借特殊的4f电子构型，被认为是突破BSCF性能限制的关键，然而4f-3d轨道杂化动力学等微观机制缺乏系统研究。

为阐明这一科学问题，国内研究人员在《Materials Today Communications》发表论文，采用密度泛函理论（DFT）系统研究了稀土元素掺杂对BSCF材料的影响。通过VASP软件包进行第一性原理计算，使用PAW势和GGA-PBE泛函处理电子相互作用，结合DFT+U方法修正强关联效应，构建了稀土元素掺杂的BSCF原子模型，计算了掺杂形成能、电子态密度和磁矩等参数。

Structural Properties of Re Element-Doped BSCF
研究发现稀土元素优先占据Ba位点，轻稀土（Sc/Y/La/Ce）显著降低Co 3d轨道自旋极化率，使体系总磁矩减小；而重稀土（Dy/Er/Tm）通过4f-3d轨道杂化增强局域磁耦合，提升总磁矩。掺杂浓度与磁性呈现非线性关系，其中Dy掺杂在特定浓度下磁矩增幅达35%。

Conclusion
该研究揭示了稀土元素通过4f电子调控BSCF磁性的双重机制：轻稀土主要抑制过渡金属自旋，重稀土则强化f-d轨道杂化。这一发现为钙钛矿铁氧体材料的磁性定制提供了新思路，特别是为开发基于稀土掺杂的下一代磁性存储材料奠定了理论基础。研究还指出，通过精确控制稀土类型和浓度，可实现BSCF材料磁性能的定向设计，这对固体氧化物燃料电池阴极材料优化具有重要指导意义。