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本论文采用第一性原理计算方法研究了部分新型磁性功能材料的电子结构,重点讨论了掺杂和缺陷对功能材料的电学,磁学等物理性质的影响。主要内容包括以下几个方面:
(1)Cr掺杂对Sr2FeReO6的电子结构,磁性及居里温度的影响。计算表明随着Cr的掺杂Fe(Cr)的磁矩降低而Re的磁矩增加,体系的总自旋磁矩线性降低。随着掺杂浓度的增加,自旋向下能带中的局域电子和离域电子之间的成键和反键相互作用增加,从而导致了自旋向下的Re的电子浓度轻微增加;Cr-O和Fe-O键长收缩导致O-2p↑与过渡金属3d↑间的耦合增强。计算表明掺杂Cr提高了体系的铁磁耦合强度从而提高了系统的居里温度Tc。
(2)氧空位或(和)反位缺陷对Sr2CrMoO6的电子结构和磁性的影响。能带结构计算表明完整构型的Sr2CrMoO6具有半金属的特性。在磁超胞内,只有氧空位单独存在时才能维持这种半金属性;当存在25%反位缺陷或者同时存在一个氧空位时,系统显示金属性;当反位浓度增加到50%或者同时还考虑氧空位(一个或者两个)时,体系仍然维持这种金属性;但是,当样品中含有两个氧空位同时发生25%的反位时,体系可能会出现非金属的特性。实验上观测的磁矩减少主要来源于无序样品中Cr-O-Cr(Cr-Cr)之间的超交换反铁磁耦合。
(3)Zn掺杂的FeCr2S4的电子结构和磁学性质的研究。计算结果表明掺杂非磁性离子Zn2+后,系统的晶格常数稍微降低,同时发生从亚铁磁到反铁磁的磁相变。当掺杂组份为0≤x≤0.5时,晶体为半导体,当0.75<x≤1.0时,晶体为绝缘体。我们的计算表明实验上观测的FeCr2S4的半导体行为是Jahn-Teller效应和在位库仑效应共同作用的结果。
一方面,我们的研究结果表明通过引入缺陷和掺杂可以获得更多的新材料;另一方面,对缺陷和掺杂效应的研究也有助于材料物理本质的探索,为进一步的实验和应用奠定坚实的理论基础。