● 摘要
TbMnO3为稀土锰酸盐RMnO3（R为La系稀土元素）的典型代表之一，由于具有多铁特性及在信息存储领域具有重要的潜在应用价值，因而引起了材料物理、凝聚态物理及信息器件等学科的广泛兴趣和高度关注。TbMnO3为正交钙钛矿结构，不仅具有良好的多铁性，而且具有优异的光学特性。本论文采用第一性原理与CASTEP模块相结合，分析研究了TbMnO3的电子能带结构和光学性质以及静水压强、原子替代等因素对TbMnO3电子结构与光学性质的影响。取得了如下有特色的研究结果： （1）研究发现Mn3+处于氧八面体的中心位置导致Mn-O之间的杂化作用强于Tb-O之间的杂化作用，从而引起TbMnO3具有0.48 eV的间接带隙，此值与实验结果相吻合；进一步的研究发现 TbMnO3的静态介电函数为5.84；电子能量损耗谱表明当入射光能量为10.00 eV时TbMnO3晶体内部会发生等离子体共振现象。（2）研究结果表明：TbMnO3单胞体积与静水压强之间的关系满足Birch-Murnaghan方程，据此确定了常压条件下TbMnO3弹性模量为111.16 GPa；TbMnO3的带隙随压强非线性地变化并逐渐降低，其关系可用二次多项式函数来表示；介电函数谱表明当压强超过80.00 GPa和120.00 GPa时，介电函数中的峰D和E分别消失，这反映出静水压强增加使低能级的电子态发生了位置移动或转移；反射谱进一步表明TbMnO3的反射能量峰随压强的增加向高入射光能量方向移动，且具有不同的移动速度，其反射能与压强之间的关系满足三阶多项式。（3）研究结果表明：Tb1-xYbxMnO3中电子态随着Yb原子含量增加向更低能级方向移动；Tb1-xYbxMnO3的静态介电函数ε(0)随着Yb原子含量x的增加而逐渐增大，并在x=0.75时达到最大值；Tb1-xYbxMnO3的反射光谱表明随着Yb原子含量的增加，出现在9.34 eV和29.63 eV的两个峰分别以线性和非线性的趋势向高能量方向移动。（4）研究结果进一步发现：TbMn1-yFeyO3的带隙Eg(y)随着Fe原子含量的增加非线性地增大，可用二次多项式函数表示；TbMn1-yFeyO3的静态介电函数εy(0)随着Fe原子含量的增加以二次多项式关系非线性增大；TbMn1-yFeyO3的反射光谱中的峰随着Fe原子含量的增加将向高能方向移动，且在一定的能量范围内具有的准线性反射特性。 （5）进一步的研究发现：WMnO4是理解磁电效应的理想结构模型，其价带主要由Mn 3d和O 2p电子态构成，导带主要来自于W 5d电子态的贡献，其带隙值为2.80 eV，与实验结果接近；当入射光电场偏振方向为[100]时，WMnO4的静态介电函数ε(0)达到极大值，且反射光谱在4.06 eV和5.79 eV两个能量位置处出现了两个峰，而当入射光电场偏振方向为其它方向时，则出现一个能量位置随偏振方向变化的峰；这表明WMnO4具有光学各向异性的特性。