稀土作为一种不可再生的稀有资源，被广泛应用于军事、电子、环保、航天等领域，与高新技术和国防科技的发展息息相关。随着国家政策的扶持，稀土功能材料受到了广泛的研究，技术难题不断地突破，其应用价值也越来越大。然而，由于稀土离子4f5d电子的强关联特性，目前的研究对稀土微观电子结构的物性关联缺乏深入系统地解析，微观结构与宏观性能的之间关系规律还有待建立。因此，从理论上研究稀土功能材料的微观结构与宏观光、电、磁性能的关系是实现其高值化应用的关键。本著作针对稀土功能材料，以R2CoMnO6/La2CoMnO6 (R = Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm) 近室温多铁材料、LaCu2Fe4O12负热膨胀材料、Lu2O3:Ln (Ln= Nd, Sm,Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb)发光材料，BaLaGa3O7:Nd,Tb激光晶体材料材料等体系为研究对象，发挥理论计算的优势，以稀土离子镧系收缩效应和4f5d电子能级的近连续变化分别作为微观晶体结构和微观电子结构的调谐开关，在这种“双开关”的理论设计下，探索稀土离子的成键特性以及晶体场劈裂规律，从理论上揭示稀土微观电子结构的物性关联，进而指导实验的定向制备，具有重要的学术价值和研究意义。

本书将帮助读者把握稀土微观电子结构物 性关联的本质和内涵。

孟君玲，吉林师范大学化学学院，副教授，博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，稀土资源利用国家重点实验室。自研究生学习以来，一直从事稀土功能材料的研究工作，在实验合成、结构与物理化学性能表征以及第一性原理计算上都有着深厚的研究基础。作者近几年利用Materials?Studio、VASP、WIEN2K等计算程序，在稀土功能材料的结构模型构建、微观电子结构计算、宏观性能模拟以及微观机理的揭示等方面都作了系统的研究，对于稀土微观电子结构的物性关联有着独到的见解。

目 录 CONTENTS 第1章 绪论 / 001 1.1 稀土元素特性 /002 1.2 稀土材料的应用 / 005 1.2.1 稀土光学材料 L00/ 1.2.2 稀土电学材料 /008 1.2.3 稀土磁性材料 /009 1.3 稀土离子电子跃迁特性简介 / 012 1.4 稀土铁电性、磁性、多铁性简介 /013 1.5 常见的磁性物理简介 / 018 1.5.1 晶体场理论 /018 1.5.2 超交换作用与双交换作用 /020 1.5.3 电荷-自旋-轨道有序 /022 1.5.4金属-绝缘体转变 /023 1.6 计算材料学简介 / 024 1.7 稀土材料理论计算 / 025 1.8 本书的写作思路 / 027 第2章 理论背景与计算方法 / 028 2.1 密度泛函理论简述 / 028 2.1.1 基本近似 /029 2.1.2 基组处理 /032 ·I· 稀土微观电子结构的物性关联 2.2 第一性原理计算简介/036 2.3 强关联体系的计算修正/038 2.3.1 问题描述及修正方法/038 2.3.2 DFT＋U方法/039 2.4 常用模拟软件介绍/040 2.4.1 WIEN2k/040 2.4.2 Materials Studio/041 2.4.3 VASP/041 第3章应用密度泛函理论计算研究BaLaGa3O7：Nd，Tb的发光机理/042 3.1 计算方法/043 3.2 结果与讨论 /044 3.2.1 完整BLGO晶体计算/044 3.2.2 BLGO晶胞中的单缺陷/047 3.2.3 BLGO晶胞中稀土Nd离子的掺杂/051 3.2.4 BLGO：Nd中的复合缺陷/053 3.2.5 BLGO基体中其他稀土离子的掺杂/056 3.2.6 发光特性研究090/ 3.2.7 BLGO：Nd和BLGO：Nd，Tb的发光机理/061 3.3 本章小结/062 第4章化学压和静水压作用下R2CoMnO6／La2CoMnO6多铁材料的微观机理研究/063 4.1 计算方法/064 4.2 结果与讨论/065 4.2.1 化学压及微观机理990/ ·II· 目录 4.2.2 静水压及微观机理/073 4.3 本章小结 /076 第5章L a C u _ { 3 } F e _ { 4 } O _ { 1 2 }负热膨胀材料中压力诱导的磁性、电荷以及自旋态的转变/077 5.1 计算方法/078 5.2 结果与讨论/079 5.2.1 晶体结构和磁结构分析/079 5.2.2 压力诱导的电荷转移／不均匀分布/084 5.2.3 压力诱导自旋态的转变/090 5.2.4 负热膨胀行为/ 092 5.3 本章小结/095 第6章L u _ { 2 } O _ { 3 } : L n（Ln＝稀土离子）发光材料中4f电子的跃迁特性和发光机理960/ 6.1 计算方法 /097 6.2 结果与讨论 /099 6.2.1L _ { 1 1 _ { 2 } } O _ { 3 }基体的晶体结构和电子结构分析/099 6.2.2一系列稀土离子掺杂L u _ { 2 } O _ { 3 }的计算/101 6.2.3L _ { 1 1 _ { 2 } } O _ { 3 }：Ln中4F相关的电子跃迁行为/103 6.2.4L u _ { 2 } O _ { 3 }：Ln体系的吸收特性/107 6.3 本章小结/109 第7章 结论/110 参考文献/112 ·III·