過渡金屬團簇及氧化物自旋軌道耦合效應及電子態(tài)的理論研究.pdf

1、隨著自旋電子學的迅速發(fā)展，自旋軌道耦合(SOC)效應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，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、磁晶各向異性和固體磁光效應等。最近，人們發(fā)現(xiàn)的一種新型量子物質(zhì)態(tài)---拓撲絕緣體亦與自旋軌道耦合密不可分，這種材

2、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可以使價帶、導帶體能帶結(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、自旋霍爾效應和磁晶各向異性，接

3、著簡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，Hubbard模型

4、被提出，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對TM@Au12和TM@Ag12體系電子結(jié)構(gòu)的影響，其中TM代表3d、4d和5d過渡金屬元素。主要研究了這種效應對下面幾方面性質(zhì)的影響:前線軌道的色散、對稱性、HOMO-LUMO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TM原子較重的體系，色散是非常大的。在考慮自旋軌道耦

5、合以后，僅僅那些具有封閉殼層(TM@Au12，TM=Mo和W)或者封閉軌道(TM@Au12，TM=Ni，Pd和Pt)的體系遵從Ih2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導致的前線軌道中自旋向上和自旋向下能級的相互混合。HOMO-LUMO能隙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TM的d軌道和Au的價軌道之間的雜化。

6、軌道磁矩的方向和大小可以通過超原子模型做出定性的解釋。自旋軌道耦合效應對TM@Ag12的影響是比較弱的。對每個系列的最后一個體系(TM=Ni，Pd，Pt)，Ag和Au的情況完全不同，由于相對弱的自旋軌道相互作用，TM@Ag12(TM=Ni, Pd，Pt)并沒有形成封閉軌道。
　　第四章研究了鈣鈦礦型氧化物BalrO3的電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，對于這種5d過渡金屬氧化物，只有包含在位庫侖能的計算才能給出正確的磁基態(tài)，而要想得到與實驗符合

7、的能帶結(jié)構(gòu)，關(guān)聯(lián)作用和自旋軌道耦合必須同時被考慮。最重要的是，我們發(fā)現(xiàn)這個體系不屬于任何人們熟知的幾種傳統(tǒng)絕緣體，而是一種擁有三重Jeff=1/2態(tài)的嶄新自旋-軌道莫特絕緣體，體系的能隙來源于中間Jeff=1/2態(tài)的上Hubbard帶(UHB)和下Hubbard帶(LHB)的劈裂。多個Jeff=1/2態(tài)的出現(xiàn)主要起因于BalrO3體系中特殊的結(jié)構(gòu)單元——Ir3O12三聚體。Ir原子的自旋磁矩表現(xiàn)出非共線行為，但是由于軌道雜化，遠遠小于理

8、想離子的磁矩。我們的工作清楚的展示了在BalrO3體系中，晶格、自旋以及軌道自由度之間是如何競爭的。
　　第五章研究了9R-BaRuO3的電子結(jié)構(gòu)，給出了初步結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)，包含在位庫侖相互作用的總能計算支持亞鐵磁結(jié)構(gòu)，三聚體中間的Ru原子與外側(cè)兩個Ru原子的磁矩是反鐵磁耦合。我們對海森堡交換常數(shù)也做了計算，得到的結(jié)果支持這個結(jié)論。自旋軌道耦合效應對9R-BaRuO3的電子結(jié)構(gòu)并沒有實質(zhì)性的影響。根據(jù)Ru原子的分軌道態(tài)密度，我們分

9、析了4d軌道的5個分軌道d(=)2 dxydx2-y2 dx(z) dy(z))在Ru-O雜化以及Ru-Ru雜化中所起的作用，對這種晶體中復雜的相互作用有了進一步的認識。
　　第六章研究了應變(-7％～7％)對雙鈣鈦礦氧化物Ba2MnWO6電子結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，拉伸應變對體系的電子結(jié)構(gòu)沒有實質(zhì)性的影響，而當壓縮應變達到5％時，可以使體系從反鐵磁半導體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁金屬，挖掘了相應的相變機制。
　　第七章簡要總結(jié)了本文的研究內(nèi)