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双钙钛矿Sr_2CoReO_6和W掺杂双钙钛矿Sr_2FeReO_6的第一性原理研究

杨娴  
【摘要】:人们对有关A2BB'O6型双钙钛矿氧化物的结构特征、电磁性质相继做的一些探索最早可以追溯到上个世纪50年代末,不过当时相关应用领域很不成熟的发展,使得之后的几十年里只是零星有从合成角度做的关于制备条件及晶格结构方面的报道。1998年K.I. Kobayashi等人发现Sr2FeMoO6在室温下具有10%的隧穿型磁电阻效应,双钙钛矿型氧化物作为涵盖面更广的一类研究对象,随即成为最可能在常温下使用的磁电阻材料之一而备受瞩目。 从理论角度看,这类双钙钛矿型氧化物体系具有更加丰富的变换组合,使理论工作者拥有广阔的建模空间,例如B、B'位离子不同的电子组态和离子半径以及之间多类型的交换作用,因此人们可以改变这些组合来探究很多不同类型的问题,为多电子系统中电子强关联相互作用、电子输运和自旋排列等特定属性的探索提供了具有重大学术价值的研究对象。据此,双钙钛矿型氧化物材料电、磁等方面特性的研究极具价值。其中有序双钙钛矿Sr2FeReO6是广泛被研究的物质之一。研究证明,它具有半金属性,而且实验结果显示,它的多晶样品的居里温度高达401K,有很明显的低场TMR效应。为了更详细的了解双钙钛矿的电子结构和磁交换,人们通常会在双钙钛矿中金属/磁性离子(如A,B和B’)的位置进行掺杂或者用电子掺杂来做深入研究,对双钙钛矿Sr2FeReO6的掺杂也成为近年来研究的热点,例如Ga、Ca、Cr、Nb、Ta等对Sr2FeRe06的掺杂。 最近Maria Retuerto等人采用中子粉末衍射的方法对与前两者结构相同的Sr2CoReO6的晶体结构和磁结构的实验研究表明,在室温下,Sr2CoReO6的钙钛矿晶体结构为四角形的,空间群为I4/m,包含几乎完全有序排列的倾斜的Co06和Re06八面体。随着温度的降低,其经历一个相变成为单斜对称,空间群为P21/n。在磁结构方面,低温情况下,Sr2CoReO6为反铁磁体,+2价的Co离子处于S=3/2的高自旋态,尼尔温度仅为2-60K。但是,实验研究并没有对Sr2CoReO6的电子结构方面进行探讨,目前对于W掺杂双钙钛矿型氧化物理论计算的报道也尚未见到,本论文基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算,采用在广义梯度近似下的投影缀加波势,详细研究了双钙钛矿型氧化物Sr2CoReO6和Sr2FeRe1-xWxO6(x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)的磁性和电子结构,以期从理论计算的角度对双钙钛矿Sr2CoReO6和Sr2FeRe1-xWxO6(x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)的性质进行研究。得到了以下有价值的研究成果: 1)Co和Re原子的磁矩分别为2.425和-0.488μB,并通过O原子形成反铁磁耦合。 2)Co2+的s和3个p轨道的占据和未占据态都远离费米能级,并有很小的自旋劈裂;而Re5+的s和3个p轨道的自旋向上和自旋向下态密度均几乎填满。 3) Co/Re原子周围存在的O原子立方对称性的八面体,导致其d轨道劈裂为能量较高的三重简并态t2g (dxy, dyz和dzx)和能量较低的二重简并态eg(dz2和dx2-y2)。 4)最近邻的两个Co-Co或Re-Re原子对之间没有直接的相互作用;而沿着任一Co-O-Re-O-Co链或Re-O-Co-O-Re链,Co3d和4s,O2s和2p以及Re5p,5d和6s轨道间存在着重要的杂化作用。 5)随着W含量的增加,Sr2FeRe1-xWxO6(x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)的晶胞体积、自旋向上的带隙、W/Re原子的磁矩有增加的趋势。 6)Fe原子的磁矩随着W含量的增加无明显变化。 7)更重要的是,在掺杂过程中,双钙钛矿氧化物Sr2FeRe1-xWxO6(x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)的半金属性没有被改变,可以被应用于自旋电子学器件中。


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