過渡金屬團簇及氧化物自旋軌道耦合效應(yīng)及電子態(tài)的理論研究

1、中文摘要摘 要隨著自旋電子學(xué)的迅速發(fā)展，自旋軌道耦合( s o t ) 效應(yīng)越來越多的受到人們的關(guān)注。自旋軌道耦合是一種相對論效應(yīng)，它將電子的軌道運動和電子自旋聯(lián)系在一起，這樣就可以在沒有外磁場的情況下利用自旋軌道耦合來調(diào)控電子的自旋狀態(tài)，使全電學(xué)方法控制的自旋器件成為可能。另外，自旋軌道耦合可以在固體材料中引起各種新奇的物理現(xiàn)象，比如自旋霍爾效應(yīng)、磁晶各向異性和固體磁光效應(yīng)等。最近，人們發(fā)現(xiàn)的一種新型量子物質(zhì)態(tài)一拓撲絕緣體亦與自旋軌道

2、耦合密不可分，這種材料中一般都包含有原子序數(shù)比較大的原子，它們的強自旋軌道耦合效應(yīng)可以使價帶、導(dǎo)帶體能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生許多獨特的性質(zhì)。對于包含重元素的體系，自旋軌道耦合可以改變它們的電子結(jié)構(gòu)，從而使體系的性質(zhì)發(fā)生大的變化。本文利用第一性原理的方法，研究了在包含過渡金屬元素的團簇以及氧化物體系中，自旋軌道耦合效應(yīng)對其電子結(jié)構(gòu)的影響，論文共分七章。第一章首先介紹了自旋軌道相互作用以及與之相關(guān)的磁光效應(yīng)、自旋霍爾效應(yīng)和磁晶各向異性，接著簡

3、單回顧了過渡金屬團簇的研究背景以及相關(guān)領(lǐng)域的自旋軌道耦合效應(yīng)的研究。本章的最后一節(jié)分別對過渡金屬氧化物的晶體結(jié)構(gòu)分類、理論基礎(chǔ)做了介紹，同時我們也總結(jié)了銥氧化物和釕氧化物的研究進展。第二章介紹了本文用到的一些理論方法，包括絕熱近似、密度泛函理論、布洛赫定理等。對能帶理論中一些重要的方法也做了介紹，比如平面波方法、贗勢法、投影綴加波法。能帶理論中的單電子近似不能很好的處理強關(guān)聯(lián)電子體系，為了解決這個問題，H u b b a r d 模型被

4、提出，我們對此也做了介紹。第三章用基于密度泛函理論的方法研究了自旋軌道耦合效應(yīng)對T M @ A u l 2 和T M @ A g l 2 體系電子結(jié)構(gòu)的影響，其中T M 代表3 d 、4 d 和5 d 過渡金屬元素。主要研究了這種效應(yīng)對下面幾方面性質(zhì)的影響：前線軌道的色散、對稱性、H O M O - L U M O 能隙、磁矩以及束縛能。結(jié)果表明，自旋軌道耦合使這些體系的前線軌道均發(fā)生了色散；尤其是對于每個系列的后半部分，也就是中心T

5、M 原子較重的體系，色散是非常大的。在考慮自旋軌道耦合以后，僅僅那些具有封閉殼層( T M @ A u l 2 ，T M = M o 和w ) 或者封閉軌道( T M @ A u l 2 ，T M = N i ，P d 和P t ) 的體系遵從砰群對稱性，在這些體系中，所有的自旋磁矩和軌道磁矩同時猝滅到0 。封閉軌道的形成主要是由于強自旋軌道耦合效應(yīng)導(dǎo)致的前線軌道中自旋向上和自旋向下能級的相互混合。H O M O ．L U M O 能隙

6、和自旋磁矩都有所減小，前者的減小是因為前線軌道的色散，自旋磁矩的減小則是因為自旋軌道耦合增強了T M的d 軌道和A u 的價軌道之間的雜化。軌道磁矩的方向和大小可以通過超原子模英文摘要A B S T R A C T㈣㈣㈣㈣㈣《憾 Y 2 7 0 4 2 7 9W i t hr a p i dd e v e l o p m e n t so f s p i n t r o n i c s ，s p i n ·o r b i tc

7、 o u p l i n g ( s o c ) e f f e c t h a sa t t r a c t e dm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n ．T h e s p i n —o r b i tc o u p l i n gc o m e sf r o mr e l a t i v i s t i ce f f e c t a n dc o n n e c t so r b i t a

8、l m o m e n t u mo f a ne l e c t r o nw i t hi t s s p i n ．T h u so n ec a np o s s i b l ym a n i p u l a t et h es p i no f a ne l e c t r o nt h r o u g h t h es p i n - o r b i tc o u p l i n gw i t h o u t a ne x

9、t e r n a lm a g n e t i cf i e l d ，w h i c hm a y r e s u l ti na l l —e l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e d s p i nd e v i c e ．O nt h e o t h e r h a n d ，m a n y e x o t i c p h y s i c a l p h e n o m e n ai n

10、 s o l i d m a t e r i a l s r e s u l t f r o ms p i n 。o r b i tc o u p l i n g ，f o r e x a m p l e ，s p i nH a l le f f e c t , m a g n e t o c r y s t a l l i n ea n i s o t r o p ya n ds o l i dm a g n e t o —o p t

11、 i ce f f e c t , e t c ．R e c e n t l y , an e w q u a n t u m s t a t e o f m a t t e r , s o - c a l l e dt o p o l o g i c a l i n s u l a t o r , o c c u r s i n s o m ec o m p o u n d si n v o l v i n g h e a v ya

12、t o m s ，w h o s es t r o n gs p i n —o r b i t i n t e r a c t i o n s c a ni n d u c ei n v e r t e db a n ds t r u c t u r e s a n dm a n yu n i q u ee l e c t r o n i cs t r u c t u r e s ．F o r t h o s es y s t e m

13、si n c l u d i n gh e a v y a t o m s ，t h e i r e l e c t r o n i cs t r u c t u r e sc a nu s u a l l yb ec h a n g e d m u c hb ys p i n - o r b i tc o u p l i n g ，r e s u l t i n gi nv a r i o u sp h y s i c a lp r

14、o p e r t i e s ．I nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w ei n v e s t i g a t e d t h e i n f l u e n c eo fs p i n —o r b i tc o u p l i n ge f f e c to nt h ee l e c t r o n i c s t r u c t u r e so f t h ec l u s t e r

15、sa n do x i d e s ，c o n t a i n i n gt r a n s i t i o n - m e t a le l e m e n t s ．T h e r e a r es e v e n c h a p t e r s i nt h i s t h e s i s ．I nt h ef i r s tc h a p t e L w e i n t r o d u c e t h es p i n —o

16、r b i t i n t e r a c t i o n a n d t h er e l a t e de f f e c t ,i ．e ．m a g n e t o 。o p t i c e f f e c t , s p i nH a l le f f e c t a n d m a g n e t o c r y s t a l l i n e a n i s o t r o p y ．A f t e rt h a t ，t

17、 h eb a c k g r o u n do f t r a n s i t i o n - m e t a l c l u s t e r s i s b r i e f l yr e v i e w e d ，a n dt h er e c e n tp r o g r e s sm a d e i nt h er e s e a r c ha b o u t t h e i r s p i n - o r b i tc o u

18、 p l i n g e f f e c ti s a l s om e n t i o n e d ．rA t t h e e n d o f t h i s c h a p t e r , t h e b a s i c t h e o r y a n d s t r u c t u r a l c l a s s i f i c a t i o n o ft r a n s i t i o n 。m e t a l o x i d

19、 e sa r e p r e s e n t e d ，a n dt h e r e c e n t r e s e a r c ho n o x i d e s i n c l u d i n gi r i d i u m ( I r ) a n dr u t h e n i u m ( R u ) a t o m si s a l s os u m m a r i z e d ．I n t h es e c o n dc h a

20、p t e r , t h e o r e t i c a lm e t h o d s a d o p t e di nt h i s t h e s i sa r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g a d i a b a t i c a p p r o x i m a t i o n ，d e n s i t y —f u n c t i o n a lt h e o r ya n d

21、B l o c h ’St h e o r e m ，e t c ．T h eb r i e fp r e s e n t a t i o n st o p l a n e - w a v em e t h o d ，p s e u d o p o t e n t i a la p p r o x i m a t i o na n dp r o j e c t o ra u g m e n t e d —w a v em e t h o

22、 d a r e a l s og i v e n ．I nc e r t a i ns y s t e m s ，i f t h ee l e c t r o nc o r r e l a t i o n e f f e c ti s s t r o n g ，t h es i n g l ee l e c t r o na p p r o x i m a t i o nm a y n o t g i v er e a s o n a

23、 b l ed e s c r i p t i o n ．H u b b a r dm o d e lw a s e m p l o y e dt od e a lw i t ht h e s es y s t e m s ，w h i c hi sa l s oi n t r o d u c e d i nt h i sc h a p t e r ．1 n t h e t h i r d c h a p t e r , w e i n