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摘 要

铁酸铜CuFe₂O₄材料是一种较为廉价易得的光催化材料。铁酸铜是偏向于反式尖晶石结构的铁氧体材料。铁酸铜的结构与性能一直以来研究的不是很透明，其运用受到很大限制。铁酸铜的窄带隙不适合运用于磁芯领域，但为其光催化领域运用提供了支持。由于铁酸铜属于尖晶石结构的大家族，其掺杂改性易于实现，但要准确进行理论模拟较为困难。

本文总结了铁酸铜的结构，研究进展。详解了铁酸铜计算研究的研究方法，讲解了计算函数，参数的选择与设定。利用业界公认的MS软件内置的CASTEP软件包对铁酸铜CuFe₂O₄进行了第一性原理计算研究。其具有0.9eV的计算带隙。对铁酸铜的掺杂改性进行了筛查，指出了铁酸铜掺杂Mg² 与部分过渡金属阳离子后的光、电、磁行为。发现铁酸铜掺杂20%Mg² 后可能具有半金属性。研究认为铁酸铜今后的主要用途在光催化方面，应当注重掺杂Mg² 的进一步研究。指出了铁酸铜材料今后可能的研究方向。

关键词：铁酸铜 第一性原理 光催化 改性

A first-principle computational study on the structure and properties of CuFe₂O₄

Abstract

Copper ferrite is a kind of photocatalystic material which is cheap and easy to prepare. It has the inverse spinel type structure. The structure and properties of CuFe₂O₄ remained unclear for a few years, which led to poor use and developments on it. However, the narrow band gap of Copper ferrite, which is not suitable for magnetic core uses, stand for a good usage of photo catalysis. The Copper ferrite is a ferrite and will be easy to carry on doping modification. But it is hard to theoretically estimate and calculate it’s properties.

This research summarized the structure and latest paper rely on copper ferrite, which is followed by the fully introduction on the routine of computational study on CuFe₂O₄.This paper gives out the main figures of function and parameter we used. A first-principles study based on the leading code for calculating the properties of materials from first principles, CASTEP, which is integrated in the Materials Studio, is accomplished. Results show that the copper ferrite has a calculated band gap for 0.9eV. Do a brief survey on the ongoing doping modification of CuFe₂O_4.Figure out the optical, electrical and magnetic properties of copper ferrite doped with Mg² and several other Transition metal cations. Discovered that the copper ferrite could be a semimetal after doped with 20% Mg² . The study considered that the copper ferrite will be mainly used in photocatalysis. The influence of Mg² should be stressed. Also given the further interests of research.

Key Word: Copper ferrite; First-principle; Photocatalysis; Doping modification

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 铁氧体简介 1

1.1.1 铁氧体 1

1.1.2 铁氧体的发展 1

1.2 铁酸铜简介 3

1.2.1 尖晶石型材料 3

1.2.2 铁酸铜的结构与理化属性 3

1.2.3 铁酸铜的主要用途与发展目标 4

1.3 本论文选题依据和主要内容 5

1.3.1 选题依据 5

1.3.2 本课题的主要内容 6

第二章 研究方法 7

2.1 第一性原理计算简介 7

2.1.1 能带理论简介 7

2.2 密度泛函方法简介 8

2.2.1 密度泛函理论 8

2.2.2 局域密度近似（LDA） 9

2.2.3 广义梯度近似（GGA） 9

2.3 计算软件简介 9

2.3.1 Materials Studio 9

2.3.2 CASTEP软件包 10

第三章 计算研究与结果 11

3.1 计算准备 11

3.1.1 建立模型 11

3.1.2 平面波截断能收敛测试 13

3.1.3 几何优化 14

3.2 铁酸铜计算过程与结果 16

3.2.1 铁酸铜的能带结构 16

3.2.2 铁酸铜的光学性能、电学性能 17

3.2.3 铁酸铜的磁学性能 18

3.2.4 铁酸铜功能性小结 19

3.3 铁酸铜掺杂Mg² 及其他金属离子的计算研究 19

3.3.1 Mg_xCu_1-xFe₂O₄的第一性原理计算 19

3.3.2 Mg_xCu_1-xFe₂O₄的光、电、磁学行为。 21

3.3.3 Mg_xCu_1-xFe₂O₄的性能小结 22

3.3.4 铁酸铜掺杂过渡金属的性能变化 22

3.4 铁酸铜掺杂石墨烯的计算研究 22

3.4.1 铁酸铜作为电池阴极 22

3.4.2 铁酸铜掺杂石墨烯的计算研究 23

3.4.3 本节小结 24

第四章 工作总结与展望 25

4.1 工作总结 25

4.2 工作展望 25

参考文献 27

致谢 30

绪论

铁氧体简介

铁氧体

铁氧体是一种 饱和磁化强度比铁磁合金低很多，因此大部分时候不用铁氧体储存磁能。铁氧体的优势在于其非金属性，电阻率远大于金属类材料的电阻，差距通常可在八个数量级以上。因此在弱电领域使用很广泛。铁氧体普遍在高频工作下具有优秀的磁导率，适用于高频、脉冲、微波等不同频段。可以说铁氧体与金属磁性材料的重要性是不相上下的。

铁氧体的发展

铁氧体是人类运用最早的磁性材料。Fe₃O₄是最经典，最早运用的磁性材料、永磁体。四氧化三铁对人类的认知世界起到了不可磨灭的功用。早在人类有确切纪元以前，人类就可能已经发现这种黑色磁石可以吸引铁块，发现磁铁可以指北也不会晚于这一事件很久。四氧化三铁即是一种常见的尖晶石型的铁氧体。通常表现为反式尖晶石结构。在铁氧体中，尖晶石结构与反式尖晶石结构占据了多数。这些化学组成相似的物质采取何种晶型主要取决于阳离子的大小和电荷，主要是阳离子的大小对阳离子占据尖晶石结构中哪种位点影响很大。^[1] 图1.1展示了反式尖晶石的原胞，从这里很难看出其完整的对称性。

图1.1 反式尖晶石的原胞示意图

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