d0铁磁性的第一原理计算研究

近年来，实验发现了一系列传统磁学理论难以解释的d0铁磁性体系。现有的第一原理计算一般用空穴引入的铁磁性（即p型d0铁磁性）来解释它们。但是，这与实验现象多有不符。对此，我们总结了现有研究的不足，并提出采用第一原理计算方法研究一系列n型d0铁磁性机制。具体研究内容包括：p电子关联对p型d0铁磁性的影响，准d0铁磁性，轨道杂化引入准d0铁磁性、准d0铁磁性伴生的强磁各向异性，补偿和复合缺陷对p型d0铁磁性的影响，复合缺陷导致的n型d0铁磁性，电子填充缺陷空态导致的n型d0铁磁性，表面的n型d0铁磁性。在研究方案中，我们采用LSDA+U方法纠正现有研究中对电子关联的低估。通过此项目的研究，我们试图找到实验上所观测到的n型d0铁磁性背后的真实物理机制。

d0铁磁性的出现引发了一场关于磁性起源的争论。而第一原理计算对于揭示d0铁磁性的物理本质是不可或缺的。根据申请书和任务书中的内容，我们采用第一原理计算方法系统地研究了实验上观察到的典型d0铁磁性体系。根据杂质带相对于宿主带隙的位置，我们将d0铁磁性分为p型和n型。针对p型d0铁磁性，我们的研究结果表明，当考虑阴离子p电子关联时，局域磁矩间可能并不存在长程铁磁交换相互作用。这使得 N/C掺杂ZnO/MgO的室温d0铁磁性的起源再次成为疑问。 针对n型d0铁磁性，我们做了详细研究，并得到了多个重要结论：（1）ZnO中的单个和多个氧空位（VO）并不能导致局域磁矩。这推翻了关于ZnO的n型d0铁磁性的猜测。（2）N/C掺杂MgO中的VO对局域磁矩的影响依赖于结构。在某些结构中，局域磁矩从 N/C转移到了VO上。这为解释n型d0铁磁性提供了另一个思路。（3）Ti:ZnO具有局域磁矩。这表明非磁性金属掺杂可能导致d0铁磁性。（4）VO:TiO2体系中可能存在强磁各向异性。这为从实验上探索d0铁磁性的起源提供了一个新途径。（5）VO:HfO2和VO:SnO2没有磁性。这表明它们的d0铁磁性可能另有原因。我们进一步拓展到表面/界面以及低维体系，并得到了多个重要结论：（1）TiO2/SrTiO3界面处 的VO可以导致局域磁矩，且它们之间的交换相互作用呈铁磁性。（2）TiO2表面处的VO也可以导致局域磁矩，且它们之间的交换相互作用呈铁磁性。（1）（2）暗示TiO2薄膜的d0铁磁性很可能来自表面/界面处的缺陷。（3）HfO2表面的单个VO没有磁性，而特定的双VO结构却有。这暗示HfO2薄膜的磁性可能来自其表面。（4）IA、IIA、VIA元素掺杂的h-BN单层都有局域磁矩。这表明d0铁磁性可能广泛存在于低维体系之中。此外，我们还研究了块体以及低维稀磁半导体中的磁各向异性，以及尖晶石体系中的半金属性和磁性。