掺杂PbPdO2自旋零带隙半导体的庞电致电阻和高温铁磁性起源：第一性原理和蒙特卡罗研究

The noticeable properties of doped PbPdO2 SGSs are colossal electroresistance (CER), giant magnetoresistance (GMR) and high-temperature ferromagnetism. Those advantages could lead to novel physics, novel phenomena, and new applications in spintronic device and new energy materials. Based on a combined first-principles calculations and Monte Carlo simulation, comparing microcosmic magnetic interactions with macroscopic magnetic properties, we systematically study the formation energies, electronic structure and magnetic properties for PbPd1-xTMxO2（TM-3d transition metals with defects such as O, Pd and Pb vacancies and interstitial sites. Both locality and itinerant electron transfers are used to analyze and discuss the exchange coupling mechanism in PbPd1-xTMxO2 at the first time. The formation conditions of the microstructures and the origin of high-temperature ferromagnetism are studied. Moreover, 2-3 types of new PbPd1-xTMxO2 SGSs with high-temperature ferromagnetism and Tc>300K are designed and found. Meanwhile, the modulation on the pressure, electric current (voltage), magnetic field and dopant on the electronic structure and gap is carefully investigated. We will establish one physical mechanism based on the change of carrier concentration and barrier height to explain the CER and GMR effects.

掺杂PbPdO2自旋零带隙半导体最引人注目的特性是庞电致电阻（CER）、巨磁电阻（GMR）和高温铁磁性等，这些优异的特性使其在自旋电子器件、新能源材料等方面呈现出新的物理现象和新的应用。本项目基于第一性原理计算和Monte Carlo 模拟，在微观磁相互作用与宏观磁特性比较的基础上，拟开展PbPd1-xTMxO2（TM 为3d过渡金属离子）零带隙半导体以及存在缺陷态（如O、Pd 和Pb空位和间隙位）下的形成能、电子结构和磁性的计算；引入局域性和巡游性电荷转移来分析键合作用、双交换、超交换和RKKY相互作用等磁性耦合机制，重点探索掺杂自旋零带隙半导体的微结构形成条件和高温铁磁性起源，并在此基础上设计出2-3种居里温度超过室温的新体系；研究外加电流（电压）、磁场、应力和离子掺杂如何调制带隙和费米能级，并以载流子浓度及势垒高度变化为基础建立解释CER和GMR效应的物理机制。

（1）基于形成能的计算研究了掺杂、缺陷态存在条件。.建立了PbPdO2计算方法及参数，获得了它新奇的零带隙特性; 基于形成能计算获得了PbPdO2的实验制备最优化的生长条件及各种可能缺陷的形成难易; 研究了块体PbPdO2材料能带结构和原子结构稳定性。..（2）研究了微结构对PbPd1-xTMxO2的电子结构和磁性的影响。.制备了（002）和（211）择优取向的PbPd1-xTMxO2 (TM= Fe、Co、Cu、V 和 Gd)薄膜，研究了它们的微结构、电性和磁性；采用第一性原理从理论上发现Pb空位、氧缺陷、晶面取向、离子掺杂等对其性质都有重要的影响。..（3）研究了电场、应力和外加电流对电子态的调控及CER产生机制。.利用第一性原理研究了（002）和（211）取向的PbPdO2薄膜的电场、应力和电流效应，发现具有小带隙的PbPdO2薄膜的电场致电阻率变化率可高达3-4个数量级；应力诱导PbPdO2超薄从间接带隙转变为直接带隙，且可获得大于1万的电子迁移率；在外应力作用下PbPd0.75Co0.25O2薄层的载流子浓度可提高3-5个数量级，很好地揭示巨应致电阻的机制；实验上发现PbPdO2、PbPd0.9V0.1O2和PbPd0.9Gd0.1O2都存在惊人的正的电致电阻ER，在10K温度和I=1.0μA下它们的ER达到200%、2500%和1340%，基于第一性原理和内电场理论很好地解释了正的巨电致电阻起源。..（4）基于第一性原理并结合蒙特卡罗模拟研究了高温铁磁性起源。.基于第一性原理计算了PbPd0.875Co0.125O2六种组态的电子能带结构和交换能，并结合蒙特卡罗模拟预测了的M-T曲线和磁滞回线。计算结果与实验事实相吻合，由此提出Co掺杂的PbPdO2高温铁磁性起源于局域的氧的P轨道和Co的3d轨道的耦合形成的磁矩，而处于金属态的巡游电子对局域磁矩间的铁磁耦合起了重要作用。