磁性材料的第一性原理计算

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本论文主要研究凝聚态物质的磁性,包括两大部分:前半部分以熟练掌握第一性原理计算软件为目的,结合有机磁性材料这一研究热点,研究了基于石墨烯结构的几种碳氮化合物吸附氢原子后磁性的变化;后半部分主要研究更加复杂的强关联电子体系的反铁磁转变。  第一部分:传统磁性材料一般都是由过渡族金属元素或者稀土族元素构成。密度大、精密加工成型困难等因素大大限制了传统磁性材料在高新技术一些方面的应用。而有机磁性材料主要有碳、氢、氮、氧等有机元素构成,其结构种类多样化,可以用化学方法合成。有机磁性材料为材料科学开辟了一个新的研究领域,有着广阔的应用前景。本部分,我们重点研究了几种碳氮化合物。碳氮化合物因为其在催化及燃料电池等方面的巨大应用前景,受到越来越多的关注。我们以非磁性的碳氮化合物g-C3N3和g-C3N4作为母体材料,在其原子上吸附氢原子。在吸附氢原子的诸多构型中,我们既发现了铁磁性,也发现了反铁磁性。  第二部分:众所周知,基于传统密度泛函理论的第一性原理计算(LDA),在处理关联比较弱的电子体系时,取得了巨大的成功。这是因为在关联比较弱的电子体系中,电子的行为与自由电子的行为相似,第一性原理计算可以给出合理、准确的计算结果。但是,在处理强关联电子体系时,第一性原理计算往往不能给出正确的物理图像,原因在于强关联电子体系需要考虑局域电子的在位库伦相互作用,而LDA中并没有涉及电子的局域信息。近二十几年发展起来的动力学平均场理论(DMFT),在处理强关联电子体系方面取得了丰硕成果。动力学平均场理论将晶格模型映射为一个有效的量子杂质模型,通过自洽求解这一量子杂质模型,我们可以得到晶格格林函数,进而求解各类物理量。动力学平均场理论的核心部分是杂质求解器。发展稳定、准确及快速的量子杂质求解器是研究包含多轨道或多格点的强关联电子实际材料所必须的。我们结合Hubbard-Ⅰ近似和连续时间蒙特卡洛(CT-QMC)的优点,实现了新杂质求解器HI-CTQMC用来进行磁性计算。为了测试其工作性能,我们研究了半满Hubbard模型的反铁磁转变。接下来,我们用HI-CTQMC和LDA相结合,即LDA+DMFT方法,研究了NiO的反铁磁转变。
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