過渡金屬氧化物的電子結構與磁性計算.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，巨磁電阻，磁電耦合，金屬絕緣體轉變等現象的發(fā)現，再次喚起人們對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，它的一個顯著特征是具有很豐富的磁性質及電子輸運性質[2]。其中的電與磁性質是過渡金屬氧化物材料可以被實際應用的基礎，特別地，借助電荷與自旋自由度間的耦合，在同一多

2、鐵材料中實現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，同時克服各自單獨使用時的缺點，實現通過電場誘導磁極化或通過磁場誘導電極化[3]。另外，過渡金屬氧化物可以是良好的絕緣體-TiO2，半導體-Fe0.9O，金屬-ReO3，超導體-YBa2Cu3O7。其中，很多氧化物隨著溫度，壓力，化學組分的變化展現出由金屬態(tài)至非金屬態(tài)的轉變，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。其中導電性質及其有關的物理問題，均與系統(tǒng)電子結構變化有關[4]。故要弄清這些現象背后的物理機制，很重要的一點是理解過渡金屬的電子結構。目前計算固體電子結構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。因為窄能帶特性，其電子關聯(lián)效應十分顯著[2]。局域電子結構可以用原子狀態(tài)的方式進行描述，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)，而更多地顯現出二維特性。例如，與三維的LaNiO3相比，La2NiO4更傾向于準二維。對于具有關聯(lián)效應的過渡金屬氧化物，有一些方法可以合理地描述和理解

5、其電子結構特性，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中高溫多鐵性的產生機制。我們發(fā)現CuO中存在兩套磁性子格子，有著很強的格子內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，導致非公度自旋激發(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方法研究了強關聯(lián)材料La2O3Fe2Se2的電子結構與磁結構。關于此材料的基態(tài)磁結構，存在著一些疑問。我們通過LDA+U計算得到的基態(tài)磁結構與最近實驗所確定的磁結構一致，但強烈地高估了系統(tǒng)的能隙。在此后的LDA+G計算中，我們發(fā)現該系統(tǒng)電子結構接近于金屬絕緣體轉變，與實驗測量結果相符。根據LDA+G計算結果，進一步論證了這一特性與關聯(lián)作用引起的原子組態(tài)漲落密切相關。另一方面，LDA+G下得到的Fe原子磁矩比LDA+