缺陷介导的室温铁磁性在无铅铁电体Ba(Zr0.2Ti0.8)O3中的第一性原理研究

为解决铅基材料的环境问题及探索新型多功能材料，研究人员通过第一性原理计算系统研究了Ba(Zr0.2Ti0.8)O3(BZT)中空位缺陷对结构、电子和磁学特性的影响。研究发现Ba/Ti空位可诱导0.16-0.30 μB/f.u.的室温铁磁性，并显著调控能带结构（带隙降至0.12-1.36 eV），为开发环保型多铁性存储器提供了理论依据。

　　

在追求可持续发展的材料科学领域，铅基铁电体如PZT（锆钛酸铅）因其毒性面临淘汰危机。与此同时，电子器件微型化对多功能材料的需求日益增长——理想材料需兼具铁电、铁磁和光电特性。Ba(Zr_xTi_1-x)O₃（BZT）作为明星无铅候选材料，虽展现优异介电性能，但其本征非磁性限制了多铁应用。有趣的是，自然界普遍存在的空位缺陷可能成为破解这一困局的钥匙：已有研究表明氧空位能在TiO₂等氧化物中诱发铁磁性，但BZT中各类空位的具体作用机制仍是未解之谜。

为揭示这一科学问题，越南科学技术研究院（Institute of Materials Science, Vietnam Academy of Science and Technology）的Vu Tien Lam团队在《Next Materials》发表了开创性研究。他们采用密度泛函理论（DFT）系统解析了Ba、Ti、O空位对BZT材料的结构畸变、电子能带和磁学特性的调控规律，意外发现阳离子空位竟能诱导出显著强于氧空位的室温铁磁性，为设计新型多铁材料提供了全新思路。

研究人员运用三大关键技术：1）基于CASTEP软件构建10×1×1超胞模型，采用GGA-PBE泛函和500 eV截断能进行结构优化；2）通过形成能计算评估缺陷稳定性；3）结合能带结构、态密度和自旋密度分析揭示磁性起源。特别值得注意的是，为准确模拟实际材料中Zr/Ti=0.2/0.8的化学计量比，团队测试了多种Zr原子随机分布构型，最终选取能量最低的稳定结构进行研究。

结构特性
通过对比完美晶体与含缺陷体系的XRD模拟，发现空位引起(101)/(110)晶面衍射峰位移，其中Ti空位导致晶格常数c从41.33 ?膨胀至44.45 ?，产生最大结构畸变。形成能计算表明氧空位最易形成（5.14 eV），而Ti空位最难形成（14.97 eV），这与局部原子位置分析结果一致——Ti空位周围氧原子位移达0.0145 nm，显著大于Ba空位的0.0043 nm。

电子与磁学特性
完美BZT展现1.60 eV间接带隙，而空位引入使带隙骤降：Ti空位（0.37 eV）>Ba空位（1.36 eV）>氧空位（0.12 eV）。最令人振奋的是自旋极化分析：Ba和Ti空位分别产生0.16 μ_B/f.u.和0.30 μ_B/f.u.磁矩，远超氧空位的0.04 μ_B/f.u.。自旋密度分布图清晰显示磁性主要源自空位邻近的氧原子2p轨道电子，颠覆了传统认知中阳离子主导磁性的观点。

光学响应
Tauc曲线显示直接光学带隙为3.2-3.5 eV，而间接带隙从完美晶体的1.7 eV增至缺陷体系的2.2 eV。介电函数分析揭示氧空位使低能区ε₂(ω)显著增强，折射率虚部k(ω)在可见光区出现特征峰，表明缺陷工程可精准调控BZT的光电转换性能。

这项研究首次阐明BZT中阳离子空位诱导铁磁性的微观机制，突破传统氧空位主导磁性的认知框架。通过建立"缺陷类型-结构畸变-电子自旋"的定量关系，证明Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃经缺陷调控可实现铁电、铁磁、光电三重特性协同，为开发环境友好型多铁存储器、自旋电子器件开辟新途径。特别值得注意的是，Ti空位虽形成能较高，但其诱导的强磁性（0.30 μ_B/f.u.）和窄带隙（0.37 eV）特性，提示通过外场辅助缺陷注入可能获得更优性能。这些发现不仅填补了无铅多铁材料理论空白，更为后续实验研究提供了明确的缺陷调控靶点。