第一性原理計算研究尖晶石型化合物.pdf

1、尖晶石型化合物是一類受到廣泛研究和應(yīng)用的材料，而且在其中不斷地發(fā)現(xiàn)新的優(yōu)良性質(zhì)，包括最近在自旋電子學(xué)領(lǐng)域中占有重要地位的半金屬性。在傳統(tǒng)的實驗研究手段之外，計算模擬成為日益重要的研究方法。尤其是在一些實驗上難以開展的領(lǐng)域，如半金屬材料的探測方面，計算模擬目前仍然是主要的研究手段。然而由于尖晶石結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，尖晶石型化合物又大多包含過渡金屬元素或稀土元素，可能存在較強的電子關(guān)聯(lián)，離子的混合分布，復(fù)雜磁序等等各種現(xiàn)象，以前在這一類化合物

2、中進行的第一性原理計算經(jīng)常因為忽略了某些因素而獲得不正確的結(jié)果。本文將從尖晶石型化合物中的電子交換關(guān)聯(lián)，陽離子分布，復(fù)雜磁序，表面結(jié)構(gòu)四個方面，選取具有代表性的實例進行第一性原理計算，以研究這些因素對電子結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)的計算可能造成的影響。主要內(nèi)容如下：第一、針對以前的計算多采用LSDA或者GGA方法，因而可能低估電子結(jié)構(gòu)帶隙的現(xiàn)象，本文采取GGA+U方法，研究了曾被報道為半金屬尖晶石的LiCr20，并計算了與它具有相同價態(tài)結(jié)構(gòu)的LiMn

3、204和CuCr2S4作為比較。計算結(jié)果顯示正式尖晶石結(jié)構(gòu)下LiCr204和LiMn204都是半金屬，但U值會對它們造成不同的影響。LiCr204在很大的U值情況下可以保持半金屬性，而LiMn204較大的U值情況下將失去半金屬性。對于少數(shù)自旋方向費米能處存在由S-p軌道態(tài)密度的CuCr2S4，U值的增加會使得自旋極化率下降，不可能出現(xiàn)半金屬性。第二、在陽離子分布影響物理性質(zhì)的典型體系CuFe204中，計算了各種不同程度的陽離子混合占位情

4、形的電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，分布到尖晶石結(jié)構(gòu)B位中的Cu離子不僅會引起Jalm-Teller效應(yīng)，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生對稱性下降的變形，更由于Cu離子對費米能處的態(tài)密度起主要貢獻，因此陽離子分布會顯著地改變體系的電子傳導(dǎo)特性。第三、混合尖晶石鎘錳鐵氧體Cdl-xMnxFc204在A位同時含有磁性和非磁性離子，因此很容易出現(xiàn)復(fù)雜磁序。本文計算了不同Mn含量的Cd1-xMnxFe204中的交換常數(shù)，以及各種磁序的電子結(jié)構(gòu)和磁矩。結(jié)果顯示反鐵磁性A-

5、B交換作用常數(shù)JAB隨Mn含量(x)的增大而增強，反鐵磁性最近鄰B-B交換作用常數(shù)隨x的增大而變?nèi)?，而且在一定的x值情況下可能變?yōu)殍F磁性交換作用。本文計算的交換常數(shù)還能夠定性的解釋在這一體系中的自旋傾斜現(xiàn)象。計算給出的形成自旋傾斜結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵x值與實驗上在它的同系物Znl.xM.nxFe204中所觀察到的x值一致。不同磁序中磁矩的反轉(zhuǎn)不僅會導(dǎo)致相應(yīng)的態(tài)密度自旋改變，還可能因為相同自旋的軌道間相互作用造成態(tài)密度峰的移動和展寬，從而顯著地改變

6、電子結(jié)構(gòu)。
　　 第四、研究了鐵磁金屬性尖晶石CuCr2S4的幾種(100)表面，對各種表面的形貌進行了分析，并且計算了這些表面的電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示由于在表面處離子之間鍵長鍵角的變化，使得主要由金屬離子和S離子共價軌道貢獻的少數(shù)自旋方向價帶頂退到費米能以下，從而出現(xiàn)了以前未見報道的，由結(jié)構(gòu)弛豫所造成的表面半金屬性。然而由于這些價帶頂僅比費米能低很小的能量，在計算中增加的庫侖排斥（U值）會使得它們向高能量方向移動，并可能跨過費米能