過(guò)渡金屬團(tuán)簇及氧化物自旋軌道耦合效應(yīng)及電子態(tài)的理論研究.pdf

1、隨著自旋電子學(xué)的迅速發(fā)展，自旋軌道耦合(SOC)效應(yīng)越來(lái)越多的受到人們的關(guān)注。自旋軌道耦合是一種相對(duì)論效應(yīng)，它將電子的軌道運(yùn)動(dòng)和電子自旋聯(lián)系在一起，這樣就可以在沒(méi)有外磁場(chǎng)的情況下利用自旋軌道耦合來(lái)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)---拓?fù)浣^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(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)可以使價(jià)帶、導(dǎo)帶體能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生許多獨(dú)特的性質(zhì)。
　　對(duì)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(guò)渡金屬元素的團(tuán)簇以及氧化物體系中，自旋軌道耦合效應(yīng)對(duì)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

3、著簡(jiǎn)單回顧了過(guò)渡金屬團(tuán)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(duì)過(guò)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(shí)我們也總結(jié)了銥氧化物和釕氧化物的研究進(jìn)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(duì)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(shì)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(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系，為了解決這個(gè)問(wèn)題，Hubbard模型

4、被提出，我們對(duì)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(duì)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(guò)渡金屬元素。主要研究了這種效應(yīng)對(duì)下面幾方面性質(zhì)的影響:前線軌道的色散、對(duì)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(duì)于每個(gè)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(duì)稱性，在這些體系中，所有的自旋磁矩和軌道磁矩同時(shí)猝滅到0。封閉軌道的形成主要是由于強(qiáng)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(jí)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?yàn)榍熬€軌道的色散，自旋磁矩的減小則是因?yàn)樽孕壍礼詈显鰪?qiáng)了TM的d軌道和Au的價(jià)軌道之間的雜化。

6、軌道磁矩的方向和大小可以通過(guò)超原子模型做出定性的解釋。自旋軌道耦合效應(yīng)對(duì)TM@Ag12的影響是比較弱的。對(duì)每個(gè)系列的最后一個(gè)體系(TM=Ni，Pd，Pt)，Ag和Au的情況完全不同，由于相對(duì)弱的自旋軌道相互作用，TM@Ag12(TM=Ni, Pd，Pt)并沒(méi)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(duì)于這種5d過(guò)渡金屬氧化物，只有包含在位庫(kù)侖能的計(jì)算才能給出正確的磁基態(tài)，而要想得到與實(shí)驗(yàn)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(shí)被考慮。最重要的是，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)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(lái)源于中間Jeff=1/2態(tài)的上Hubbard帶(UHB)和下Hubbard帶(LHB)的劈裂。多個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìng)爭(zhēng)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(kù)侖相互作用的總能計(jì)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(gè)Ru原子的磁矩是反鐵磁耦合。我們對(duì)海森堡交換常數(shù)也做了計(jì)算，得到的結(jié)果支持這個(gè)結(jié)論。自旋軌道耦合效應(yīng)對(duì)9R-BaRuO3的電子結(jié)構(gòu)并沒(méi)有實(shí)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(gè)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(duì)這種晶體中復(fù)雜的相互作用有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。
　　第六章研究了應(yīng)變(-7％～7％)對(duì)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(yīng)變對(duì)體系的電子結(jié)構(gòu)沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的影響，而當(dāng)壓縮應(yīng)變達(dá)到5％時(shí)，可以使體系從反鐵磁半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁金屬，挖掘了相應(yīng)的相變機(jī)制。
　　第七章簡(jiǎn)要總結(jié)了本文的研究?jī)?nèi)