關聯氧化物和氧化物界面的第一性原理研究

《關聯氧化物和氧化物界面的第一性原理研究》是依託復旦大學，由吳驊擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：關聯氧化物和氧化物界面的第一性原理研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：吳驊

項目摘要

氧化物特別是過渡金屬氧化物一直都是凝聚態物理和材料科學的研究熱點。最近幾年，氧化物界面也倍受關注，因其呈現出很多新奇的物性。本項目將利用第一性原理的電子結構計算，結合原子多重態理論和多電子關聯理論，研究關聯氧化物中的電荷序、軌道序、磁有序、金屬絕緣體轉變以及多鐵性磁電耦合。我們還將研究氧化物異質結構中的電子轉移和原子再構機制，研究界面上過渡金屬離子的電荷、軌道和自旋自由度，進而深入認識氧化物界面上的金屬絕緣體轉變和新穎磁性等諸多性質。另外，我們將研究摻雜、應力、壓強和界面效應對氧化物和氧化物界面微觀機制和巨觀特性的量子調控，計算設計具有半金屬性電子結構的模型系統(和界面二維電子氣)，以及具有強烈磁電耦合的新型氧化物材料，為發展自旋電子學原型器件提供理論基礎。

結題摘要

關聯氧化物和氧化物界面因其豐富多變的物性而成為重要的功能材料，其中存在著電荷-自旋-軌道-晶格等多重自由度的耦合以及電子關聯效應。本項目利用第一性原理的電子結構計算，結合原子多重態分析、晶體場能級圖表、關聯電子理論和蒙特卡洛模擬，研究了一系列過渡金屬氧化物和氧化物表界面的電磁特性，闡明了其中的電荷-自旋-軌道物理和量子調控機制，計算設計了三種可能的新型磁電材料。 項目研究了特殊對稱性表面結構上吸附原子的超大磁各向異性能，揭示了配位場、軌道多重態和自旋-軌道耦合的協同效應，預言了破紀錄的超大磁各向異性能，為發展基於原子自旋的高密度存儲單元提供了新線索。項目計算模擬了利用壓力和摻雜效應來設計鐵磁半金屬材料，闡述了從高自旋反鐵磁莫特絕緣態到中間自旋鐵磁半金屬態的轉變，以及經載流子摻雜導致的超交換反鐵磁絕緣相到巡遊鐵磁半金屬相的轉變，為設計自旋電子學材料提供了新思路。項目研究了自旋-軌道耦合效應在銥基氧化物中的重要特性，闡述了晶體場、能帶形成和自旋-軌道耦合的競爭關係，討論了在低維系統中出現的新型J=1/2莫特絕緣態和J=0自旋-軌道耦合單態，發現了在一類準一維自旋鏈材料中由自旋-軌道耦合效應導致的能級反轉並由此驅動的鐵磁-反鐵磁轉變。項目研究了多種3d-4d-5d過渡金屬混合的氧化物新材料，計算確定了其中的電荷-自旋-軌道態，以及可能的自旋態轉變和軌道有序結構，理論預言了一些不同尋常的電荷-自旋組態，論述了不同過渡金屬離子間的相互作用和磁耦合機制，闡明了它們豐富多變的磁電特性，如高過室溫的鐵磁和亞鐵磁序，以及罕見的磁性銀基化合物。 本項目共發表第一作者和通訊作者論文14篇，包括1篇Phys. Rev. Lett.、4篇Phys. Rev. B、1篇Appl. Phys. Lett. 和1篇New J. Phys. 等高水平論文。本項目研究成果服務於氧化物功能材料的自旋電子學套用和量子調控研究。本項目培養了2名博士和1名碩士。