過渡金屬氧化物的電子結(jié)構(gòu)與磁性計(jì)算.pdf

1、過渡金屬氧化物作為功能材料有著悠久的歷史，早在古希臘時(shí)期，人們便將磁鐵礦(Fe3O4)視為一種特殊材料[1]。
　　近年來，高溫超導(dǎo)，巨磁電阻，磁電耦合，金屬絕緣體轉(zhuǎn)變等現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，再次喚起人們對(duì)過渡金屬氧化物的興趣[1]。過渡金屬氧化物的不尋常特性源于外層d電子的性質(zhì)，它的一個(gè)顯著特征是具有很豐富的磁性質(zhì)及電子輸運(yùn)性質(zhì)[2]。其中的電與磁性質(zhì)是過渡金屬氧化物材料可以被實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)，特別地，借助電荷與自旋自由度間的耦合，在同一多

2、鐵材料中實(shí)現(xiàn)電性與磁性的多重控制，即利用鐵電材料與磁性材料的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服各自單獨(dú)使用時(shí)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通過電場誘導(dǎo)磁極化或通過磁場誘導(dǎo)電極化[3]。另外，過渡金屬氧化物可以是良好的絕緣體-TiO2，半導(dǎo)體-Fe0.9O，金屬-ReO3，超導(dǎo)體-YBa2Cu3O7。其中，很多氧化物隨著溫度，壓力，化學(xué)組分的變化展現(xiàn)出由金屬態(tài)至非金屬態(tài)的轉(zhuǎn)變，如VO2，V2O3，NaxWO3[4]。在第一章的緒論部分我們介紹過渡金屬氧化物，及其多鐵性和金屬絕

3、緣體轉(zhuǎn)變特性。
　　過渡金屬氧化物中這一系列特性也引出了許多有待解答的物理問題。其中導(dǎo)電性質(zhì)及其有關(guān)的物理問題，均與系統(tǒng)電子結(jié)構(gòu)變化有關(guān)[4]。故要弄清這些現(xiàn)象背后的物理機(jī)制，很重要的一點(diǎn)是理解過渡金屬的電子結(jié)構(gòu)。目前計(jì)算固體電子結(jié)構(gòu)的一種重要手段是利用第一性原理方法，而其中最為廣泛應(yīng)用的則是密度泛函理論。第二章中，我們簡要介紹密度泛函理論。
　　由于過渡金屬氧化物中過渡金屬元素的d軌道與O元素的p軌道之間的耦合很小，投影到

4、d軌道的能帶一般很窄。與普通金屬中能帶寬度5-15eV相比，過渡金屬的能帶寬度為1-2eV。因?yàn)檎軒匦裕潆娮雨P(guān)聯(lián)效應(yīng)十分顯著[2]。局域電子結(jié)構(gòu)可以用原子狀態(tài)的方式進(jìn)行描述，如在CuO中，Cu1+(d10)，Cu2+(d9)，Cu3+(d8)。很多過渡金屬氧化物并不是真正的三維系統(tǒng)，而更多地顯現(xiàn)出二維特性。例如，與三維的LaNiO3相比，La2NiO4更傾向于準(zhǔn)二維。對(duì)于具有關(guān)聯(lián)效應(yīng)的過渡金屬氧化物，有一些方法可以合理地描述和理解

5、其電子結(jié)構(gòu)特性，如LDA+Gutzwiller變分方法。第三章，我們介紹LDA+Gutzwiller方法。
　　第四章，我們結(jié)合第一性原理方法與有效Hamiltonian方法，來闡明CuO中高溫多鐵性的產(chǎn)生機(jī)制。我們發(fā)現(xiàn)CuO中存在兩套磁性子格子，有著很強(qiáng)的格子內(nèi)相互作用以及較弱的格子間阻挫相互作用。較弱的自旋阻挫效應(yīng)，導(dǎo)致非公度自旋激發(fā)，使多體相的熵值極大地增加，并最終在CuO中穩(wěn)定住該非公度磁相。
　　第五章，我們以LD

6、A+U方法與LDA+G方法研究了強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料La2O3Fe2Se2的電子結(jié)構(gòu)與磁結(jié)構(gòu)。關(guān)于此材料的基態(tài)磁結(jié)構(gòu)，存在著一些疑問。我們通過LDA+U計(jì)算得到的基態(tài)磁結(jié)構(gòu)與最近實(shí)驗(yàn)所確定的磁結(jié)構(gòu)一致，但強(qiáng)烈地高估了系統(tǒng)的能隙。在此后的LDA+G計(jì)算中，我們發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)電子結(jié)構(gòu)接近于金屬絕緣體轉(zhuǎn)變，與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果相符。根據(jù)LDA+G計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步論證了這一特性與關(guān)聯(lián)作用引起的原子組態(tài)漲落密切相關(guān)。另一方面，LDA+G下得到的Fe原子磁矩比LDA+