《第一性原理研究掺杂对钙钛矿结构srruo-2c3-化合物理性质影响论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一性原理研究掺杂对钙钛矿结构srruo-2c3-化合物理性质影响论文（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要本论文采用第一性原理计算方法研究了钙钛矿结构的磁性功能材料S r R u 0 3 的电子结构，重点讨论了掺杂对此类材料的晶体结构，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 ) 我们研究T S r R u 1 - z M n 。0 3 化合物的结构，电学及磁学性质。整个系列的S r R u l - - $ M n z 0 3 ( x = o ，0 2 5 ，0 5 ，1 ) 化合物都保持单晶的钙钛矿结构，这与实验上的发现相一致。我们的自旋极化计算表明：当x 0 2 5 的化合物是绝缘体。对于x 0 1 2 5 时化合物是铁磁结构。X = 0 2 5 时是亚铁磁结构，此时C
2、 r 原子的磁矩与周围R u 原子的磁矩相反。x = 0 5 是反铁磁性质。在C r 低浓度掺杂( x 0 5r e g i m e T h em a g n e t i cs t r u c t u r ef o rx ：0i sf o u n dt ob et h ef e r r o m a g n e t i cs t a t ew h i l et h em a g n e t i cs t r u c t u r e sf o rO 0 5a r ef o u n dt ob et h ea n t i f e r r o m 宣g n e t i cs t a t e T h e
3、s u b s t i t u t i o n 。fi t i n e r a n tR ui o n sb yl o c a l i z e dM ni o n se n h a n c e st h ep - dc o u p l i n gb e t w e e n0a 皿dt r a n s i t i o n m e t a | 1 I ta l s os t r o n g l yd r i v e st h es y s t e mf r o mt h ef e r r o m a g n e t i cm e t a lt ot h ea n t i f e r r o m a
4、 g n e 七i ci n s u l a t o r S e c o n d l y , W eh a v ei n v e s t i g a t e dt h es t r u c t u r a l ，m a g n e t i c ，a n de l e c t r o n i cp r o p e r t i e so fS r R u i z C r x 0 3 T h ee n t i r es e r i e so fS r R u i z C r z 0 3 ( x = 0 ，0 1 2 5 ，0 2 5 ，0 5 ) a r es t a b i l i z e di
5、nt h ep e r o v 8 K i t es t r u c t u r ew h i c ha r ei na g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a lf i n d i n g s O u rs p i n - p o l a r i z e dc a l c u l a t i o n sg i v eah a l f - m e t a l l i cg r o u n ds t a t ef o rS r R u 0 3a n dam e t a l l i cg r o u n ds t a t ef o rx o 2 5r
6、 e g i m e A ni n s u l a t o rg r o u n ds t a t eh a sb e e nf o u n df o rx 0 2 jr e g i m e T h em a 解e t i cs t r u c t u r e sf o rx O 1 2 5a r ef o u n dt ob et h ef e r r o m a g n e t i cs t a t ew h i l et h em a g n e t i cs t r u c t u r ef o rz = 0 2 5i st h ef e r r i m a g n e t i cs
7、t a t ew h e r ea n yC ri o n sa r ec o u p l e da n t i p a r a l l e lt ot h eR ua tt h en e a rs i t e s T h em a g n e t i cs t r u c t u r ef o rx = 0 5i sf o u n dt ob et h ea n t i f e r r o m a g n e t i cs t a t e L o wC r - d o p e dm a t e r i a l ( z o 0 9 0 n m ) ，位于1 2 个氧原子组成的十四面体的中央，与
8、1 2 氧离子配位，而B 位置则是较小的阳离子( r B o 0 5 7 r i m ) ，通常为过渡金属离子，位于6 个氧离子组成的八面体中央，晶体结构如图l 一1 所示。在形成稳定的A B 0 3 型钙钛矿氧化物时，各种离子必须满足哥德希密特容差因子( t o l e r a n c ef a c t o r ) t ：0 7 5 七1 0 的要求，否则将引起晶格结构的畸变，t 的表达式为：忙沉r 瓦A + 鬲t O 面，其中心、r B 、r D 分别代表A 、B 、O 的离子半径。由于A 、B 位置阳离子的取代变化，可以使得A B 0 3 型钙钛矿结构的物质具有很多结构上的变化。二般来说
9、，当t = 1 0 时，A B 0 3 型化合物形成高度对称的立方晶格( C u b i c ) ；当0 9 6 系列的化合物有广泛的应屠。黯系列的化合物可以表示成A 舛l 戤0 3 拈小l ( A 代表碱土元素或者镧系稀元素，B 代表过渡金属元素) ，其中的n 表示钙钛矿结构的A B 0 3 层夹于两层岩盐层A O 之间的层数。当1 1 为无穷大时，这种结构演变成为常见的三维A B 0 3 的钙钛矿型化合物；而当n _ - = X 时，这种结构变成了有很强二维性质的K 2 N i F 4 结构。当n 从无穷变到1 时，化合物的物理性质有从三维到二维过渡的特性。目前，对于这类R P 结构的过渡
10、金属氧化物人们已经进行了大量的研究。其中以在( L a ，S r B a ) 2 C u 0 4 中发现高温超导电性【2 0 l 在L a l s S r o 。s C 0 0 4 ，( L a ，S r ) 2 M n 0 4 帮( L a ，S r ) s M n 2 0 7 发现电荷有序【2 王，2 2 j 戮及在L 硒5 S r l 。s M n 0 4 孛发现轨道有序最让入兴鸯。在对A 珏+ l B 拜0 3 靠+ l 的R P 系烈化合物特性豹探索中，人们对于A 位置进行掺杂的探索已经做了大量的工作，棚对来说，B 位置的掺杂5南京师范大学博士学位论文第一性原理研究掺杂对钙钛矿结构S
11、 r R u 0 3 化舍物物理性质的影响要少很多。近年来，以钌( R u ) 元素为基础的R P 系Y U S r + I R u 竹0 3 几+ 1 和C + 1 R u n 0 3 n + 1 化合物由于其电学、磁学等方面丰富的物理特性，而被广泛的研究。其中S r 2 R u 0 4 化合物 2 3 ，2 4 作为新兴的超导材料有着广阔的应用前景。S r R u 0 3 作为这类化合物的典型代表，其物理性质已被深入研究。钌元素作为4 d 过渡金属，形成的S r R u 0 3 化合物与其它A B 0 3 型钙钛矿结构的化合物性质上有很大差别。以L a M n O 。为代表的3 d 过渡金
12、属形成的钙钛矿结构的化合物一般是反铁磁性质的绝缘体，但S r R u 0 3 是铁磁性质的导体，其居里温度死约为1 6 5 K 。这种不寻常的物理特性与其晶体结构和R u 元素的特性有关。在此类化合物晶体中，R u 原子被六个氧原子包围，构成一个八面体。若这个八面体发生形变，将会造成晶场分裂，使能带结构发生变化，从而使物体的物理化学性质发生改变。同样的，只要能控制和调节八面体就能达到控制和调节物体宏观属性的目的。另一方面，这类化合物中R u 原子对物质的属性也有着重要的影响。与其它过渡金属的3 d 电子相比较，4 d 的R u 原子具有更扩展的d 电子壳层，这样使其具有巡游性质，就能使过渡金属
13、与氧原子间的l - d 耦合增强。最近的一些光电实验还揭示了由于电子的强关联作用，在费米能级附近S r R u 0 3 的光谱显著减z J 、 2 6 ，9 3 1 。R u 原子的巡游性和强关联性对其化合物的物理性质起着重要影响。强关联的系统通常都具有竞争性的基态，对外部环境很敏感，如磁场、压力、化学掺杂等都能改变其宏观属性。因此通过调节外界参数就能得到不同性质的化合物。在研究上，用化学掺杂的办法来研究R P 化合物的特性是被普遍采用的方法。本文也是以对化学掺杂实验作为基础的进一步研究。由于上述介绍材料都是磁性功能材料；物体的磁学性质也是我们研究的重点，所以下面我们将简单介绍一下磁性材料的分
14、类及基本理论。1 2 磁性的微观特征及金属磁性的基本理论在微观上由于自旋磁矩不同的排列方式，一般来说会导致磁性材料在宏观上表现出不一样的磁性。用量子力学的知识来解释，由于存在交换相互作用，两个相邻的自旋磁矩之6礅京师范大学博士学位论文第一性原理研究掺杂对钙钛矿结构S r R u O 。化合物物理性质的影响阕会发生糕合，从葱傻遮嚣个磁耀越趱予平行或者是反平行辨捌。德是当物倦处于较高澄度的环境中，或者耀邻磁性麟子之间盼距离较大时，其蹩旋磁矩之蝴的耦会就小于破坏藕合的热搬动的能量，从而导致自旋磁矩在空间的取向是光序的，这就形成了宏观上所观测捌盼顺磁性材料。稆反的，当物体处在温度比较低的环境中，威者磁
15、性原子之闽的躐离比较接近，鸯旋之溺瀚藕合作麓就能够克激热振动俸稻弓 怒的无序性，从而使宙旋磁矩能有簿蹲攥剥：萋穗邻塞旋撵捌翡方嚣裾反，并基翼膏糖褥的磁羹予数时，藏形戚葳铁磁性榜糕；姿攘铎蠡旋磁缒搏裂婺方舞仍然攘麓，毽蒸骞不蘑翡磁璧予数，这爵澎藏黪宏蕊锈黉裁篡有受铁磁鹣蛙震，称茺藏铁磁咎；褥育当档邻鸯旋磁矩撑捌懿方惫栏圊蹲淤，黪栽熬宏凝物滕就具有铁磁性，称之建铁磁体。除上述三瓣情况之外，邕麓还蕤以别的方式誊拳排刘，糕对应形成的材料宏禳上就裳现出其他的磁学性威f 2 7 。g 裁研究秘使粥的磁性材料道常蹙集中在含霄3 d 域4 f 墩子金属( 如上述介缁的几种磁性材料) 的研发上，这就是通常所说的
16、铁族和稀土麟等元豢所构成的材料。金属磁性的理论f 2 8 ，2 9 1 发腥的比较草，研究瀚琵较究分，园就眈鞍成熟藕完蓥。下面我们将对这理论徽个简要的介绍。王2 I 避代磁攀理论的形成，物质的磁性是二个历受悠久的研究锁域。作为冀近代发展的先驱者，埘以举出十九世纪末屠爨( C u r i e ) 懿研究工作，袍发现物质率，在莱一筒有濡度勋以上( 屠里温度) 时，铁磁缝漓失翡蕊蒙，镌褒研究曳髂叛磁磁化率x 淹瀛疲零瀚变纯时，发瑗了两者藏反蹴，这藏是嚣里霆襻。戮2 8 世纪裙，麓之万( L a n g e v d n ) 籍经典绫诗力攀塞鲻鹫襄宥一意大小鲶愿予磁雉体系，扶璎论上警塞了器墨定律。在鐾塑定襻器淡之万理论黪基戳上，辨媾提魄? 分子场假说，或功地建立起铁磁矬现象蜒物璞模型。辨然缓定原子磁矩之淹存在羞使磁矩拦相平行的力，这个力檩当予在每个原予上趣乎均内磁燧的摊用，所以猕为分子场。分子场的作用怒使原予磁矩做封序取向，形成自发磁化。从外斯
