半金属化合物中基本物理问题探讨

本项目将通过理论方法，探索半金属化合物功能特性与关键功能基元之间的构效关系。在具体工作中，我们将以类钙钛矿结构化合物为主。研究这类化合物中离子半径大小、等价或不等价化学取代和掺杂、层状网络维数、层内结构等对几何结构和电子结构的影响及其规律性，电荷、自旋和轨道自由度的耦合与关联效应以及相关的电、磁等物理问题。利用结构组合重新设计结构单元，采用注入自旋、自旋钉扎等方法，来构造新型化合物。阐明这种新型结构材料与其功能特性(电子传导、自旋相关输运、磁耦合、自旋注入)的关系及微观作用机理，以及在什么几何结构、电子结构条件下会产生半金属化合物。为探索和开发性能优良的半金属材料提供理论指导。关于磁性相消的半金属化合物，在考虑电子关联效应和自旋轨道耦合后是否真的存在，也是我们需要探讨和回答的一个问题。

本项目主要采用计算模拟方法，探索半金属化合物中一些影响半金属性质的关键物理问题。取得的主要研究结果如下：1）对于LaSrVMoO6体系的研究表明，V、Mo反位缺陷对体系性质有很大的影响，随着反位缺陷程度的增加，体系的饱和磁矩降低。当无序度达到50%时，该体系呈现反铁磁半金属性质，支持了实验上的猜测。同时我们的研究也表明，只有当Mo的电子关联值很大时（大于2.72eV）,才能得到反铁磁半金属性质。2）LaxSr2-xCrWO6 (x = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0)随着电子掺杂的增加，体系呈现出半金属-半导体-半金属转变，居里温度降低。同时我们的研究也表明对于Sr2CrWO6,居里温度随着电子掺杂浓度的增加而降低是本身固有的性质，而不是向以往的报道所给出的由外在因素引起的。3) 对实验上尚未合成的Sr2MOsO6 (M = V, Mn, Fe, Co)体系进行了研究。对于Sr2VOsO6和Sr2CoOsO6，P21/n相是最稳定的结构，而对于Sr2FeOsO6和Sr2MnOsO6，四方I4/m是能量最低的结构。对于性质的研究表明，Sr2VOsO6和Sr2CoOsO6为亚铁磁半金属，对于前者（V体系），总的自旋磁矩为0.89µB，总的净磁矩为0.47µB；对于后者（Co体系），总的自旋磁矩为1.09µB，总的净磁矩为1.65µB。Sr2MnOsO6为亚铁磁金属，Sr2FeOsO6为亚铁磁半导体。4）预测NiMoO3为亚铁磁半金属，晶体结构为六方晶系（R-3c）,其中总的自旋磁矩为零，但Ni呈现出库伦增强的大的轨道磁矩0.23µB，使得总的净磁矩为0.30µB。因此对于这个体系，如果不考虑自旋轨道耦合，它具有反铁磁半金属性质，说明自旋轨道耦合效应是非常重要的。该体系的金属特征主要来源于Mo 4d电子的巡游性。5）LaSrMoReO6, LaSrMoTcO6和LaSrVOsO6被以往的理论研究预测具有半金属性质，但通过我们的研究发现，在考虑电子关联和自旋轨道耦合以后，只有LaSrMoTcO6仍然保持半金属性质，而其它两个体系为半导体，再次说明电子关联和自旋轨道耦合对化合物性质的影响是很大的。6）La2VMnO6具有半导体性质，其中Mn3+（t2g3eg1）具有高自旋态。在我们的研究中发现通过对该体系施加压力，体系从半导体向半金属转变。