铁氧化物压力下自旋态转变对Mott转变的影响

The iron oxides exhibit abundant structural，spin-state and metal-insulator transitions under pressure， due to their multi-valence and spin-state degree of freedom. The spin-state and metal-insulator transitions occur simultaneously or successively. The origin of these two transitions, especially the influence of spin-state transition on metal-insulator transition has always been the focus of controversy in both experimental and theoretical studies.. In this project，we will investigate the pressure-induced behavior of Mott-type iron oxides which are widespread on earth, by combining genetic algorithms, first-principles calculations and model calculations. The influence of spin-state transition on Mott transition will be studied from the following aspects.(1)Investigate the pressure-induced structural transition and identify the structures at various pressure.(2) Based on these structures, explore the variations of bandwidth, correlation etc. and further demonstrate the phase diagram of spin-state and metal-insulator transitions.(3)Concern the influence of spin-state transition on the correlation and the relative intensity between the pressure-induced changes of bandwidth and correlation, to specify the influence of spin-state transition on the Mott transition. Our research will enrich the understanding of the pressure-induced Mott transition mechanism, and will provide reference for the geophysical study on the behavior of iron oxides under pressure.

多价态、多自旋态自由度的铁氧化物在压力的作用下会发生丰富的结构相变、自旋态转变及金属绝缘体转变。其中，自旋态转变与金属绝缘体转变或同时或相继发生，两转变的起因特别是自旋态转变对金属绝缘体转变的影响，一直是实验和理论研究中争论的焦点。. 本项目将选取地球上广泛存在的Mott型铁氧化物作为研究对象，结合遗传算法、第一性原理计算及模型计算，对其压力下自旋态转变对Mott转变的影响从以下几方面进行研究：（1）研究压力下体系的结构相变，明确各压力相的结构；（2）根据各压力相下的结构，研究带宽、关联等因素的变化，给出自旋态转变及金属绝缘体转变的相图；（3）研究自旋态转变对体系关联的影响，以及关联的改变与压力下带宽变化的相对强弱，从而确定自旋态转变对Mott转变的影响。以上研究将丰富人们对压力下Mott转变机理的认识，并为地球物理中铁氧化物压力下的行为提供参考。

多价态、多自旋态自由度的化合物在压力的作用下会发生丰富的结构相变、自旋态转变及金属绝缘体转变。其中，自旋态转变与金属绝缘体转变或同时或相继发生，两转变对材料的物性起着重要影响。本项目从二者的关系出发，研究了两转变对材料物性的影响，并利用自旋态转变伴随的金属绝缘体转变设计了功能性开关器件：1）研究了具有多重价态和自旋态的钙钛矿型Fe, Co氧化物中氧空位的形成。在该工作中我们研究了具有不同自旋态及金属绝缘特征的氧化物材料中氧空位的形成规律，以及氧空位形成以后对电子轨道占据的影响，为自旋态转变在氧离子传导材料中的应用进行了铺垫；2）定量研究了铁方镁石(Mg1-x, Fex)O中Fe2+自旋态的转变压力。铁方镁石(Mg1-x, Fex)O是下地幔中的重要材料，而压力下Fe2+自旋态转变可以显著影响(Mg1-x, Fex)O的性质，因此研究自旋态转变是阐述地幔异常宏观物理性质变化的关键；3）利用自旋转变分子的退激发态过程实现电致自旋态转变，我们设计了ns 量级超快响应开关器件。金属-配体电荷转移（MLCT）和磁离子内部 d-d 转移激发态分别对应低和高自旋态，我们利用退激发过程实现高低自旋态转变，并且两种自旋组态所对应的导电性能有显著差别（高自旋→金属；低自旋→绝缘），因此在该机制驱动下，人们可以更加高效地（1ns内）实现金属-绝缘体转变；4）利用电子注入机制设计了多环开关器件。我们揭示了芳香环数量可用于调节电子注入对分子自旋态的影响，定量阐明了金属-配体键合是电控自旋态转变（金属绝缘体转变）的决定性因素，以及金属-配体键合强度随芳香环数量增加而逐渐减小的规律。本项目取得的研究成果有利于理清自旋态转变及金属绝缘体转变的关系，并为利用两转变设计功能材料及器件提供了新思路。