双钙钛矿氧化物电子结构的第一性原理研究

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本论文基于第一性原理对具有室温巨磁阻效应(CMR)的双钙钛矿氧化物A2BB"06(A=Ba,Ca;B=Mn,Cr;B"=W,Re)的电子结构进行了理论研究。计算所用方法为密度泛函理论(DFT)框架下考虑了局域(自旋)密度近似(L(s)DA)的线性muffin-tin轨道(LMTO)方法。对双钙钛矿氧化物,因B,B”中含有较为局域的3d或4d电子,我们采用了BeyondL(S)DA方法,即LSDA+U方法进行处理,得到了与实验相符的结果。研究发现对有些化合物除了要考虑在位库仑作用U外,还要考虑自旋轨道的耦合作用,才能得到与实验一致的结果。 第一章简单介绍了双钙钛矿氧化物的晶体结构,磁学性质,电子结构以及研究背景。 第二章对本论文所采用的计算方法,包括DFT,L(S)DA,LMTO等方法做了简要描述。同时介绍了处理双钙钛矿氧化物中局域d或f电子有效的L(S)DA+U方法,对自旋轨道耦合作用也进行了讨论。 第三章细致研究了双钙钛矿氧化物Ba2MnW06和Ba2MnRe06的电子结构。通过比较顺磁态,亚铁磁态和反铁磁态的Ba2MnW06氧化物的总能,确定该双钙钛矿氧化物的基态为反铁磁态,和实验结果相符。对于Ba2MnRe06,亚铁磁态的能量比反铁磁态低很多,说明Ba2MnRe06的基态为亚铁磁态,和实验得到的结果一致。在Ba2MnW06和Ba2MnRe06中,Mn3d态都几乎为半满态。由于强杂化作用,这两种氧化物的电子组态可以近似写成Mn2+(d5)-W2+(do)。由于Re5d态有一个电子占据,所以在该氧化物中,Re离子有着和Mn离子相反的磁矩,使得Ba2MnRe06具有亚铁磁结构。对于反铁磁态的Ba2MnW06,计算很容易得到能隙。由于亚铁磁结构的双钙钛矿氧化物经常会伴随着半金属性质,所以对于亚铁磁态的Ba2MnRe06氧化物,只有当在位库仑势和自旋轨道耦合作用同时被考虑时,才会出现一个非常小的能隙,和实验测得低温下Ba2MnRe06氧化物的半导体性相符合(电阻随温度的升高而降低)。 第四章研究了Ca2CrRe06和Ca2MnRe06的电子结构。Ca2CrRe06和Ca2MnRe06计算得到的磁有序结构都是亚铁磁结构,电子组态分别可以被写作Mn2+(3ds)一Re6+(5d1)和Mn2+(3d5)-Re6+(5d1),与实验测得的结果相符。实验报道这两种双钙钛矿氧化物都是绝缘体,而用LSDA方法计算得到的结果的分别是半金属性质和导体,即使考虑了在位库仑势的修正作用,也只是使得费米能级处的能带大大减少,但是并没有打开能隙,也许和Ba2MnRe06氧化物相似,考虑自旋轨道耦合作用之后可以在费米能级处打开能隙。这方面工作有待进一步开展。
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