d0鐵磁性的第一原理計算研究

《d0鐵磁性的第一原理計算研究》是依託南開大學,由左旭擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

  • 中文名:d0鐵磁性的第一原理計算研究
  • 項目類別:面上項目
  • 項目負責人:左旭
  • 依託單位:南開大學
中文摘要,結題摘要,

中文摘要

近年來,實驗發現了一系列傳統磁學理論難以解釋的d0鐵磁性體系。現有的第一原理計算一般用空穴引入的鐵磁性(即p型d0鐵磁性)來解釋它們。但是,這與實驗現象多有不符。對此,我們總結了現有研究的不足,並提出採用第一原理計算方法研究一系列n型d0鐵磁性機制。具體研究內容包括:p電子關聯對p型d0鐵磁性的影響,準d0鐵磁性,軌道雜化引入準d0鐵磁性、準d0鐵磁性伴生的強磁各向異性,補償和複合缺陷對p型d0鐵磁性的影響,複合缺陷導致的n型d0鐵磁性,電子填充缺陷空態導致的n型d0鐵磁性,表面的n型d0鐵磁性。在研究方案中,我們採用LSDA+U方法糾正現有研究中對電子關聯的低估。通過此項目的研究,我們試圖找到實驗上所觀測到的n型d0鐵磁性背後的真實物理機制。

結題摘要

d0鐵磁性的出現引發了一場關於磁性起源的爭論。而第一原理計算對於揭示d0鐵磁性的物理本質是不可或缺的。根據申請書和任務書中的內容,我們採用第一原理計算方法系統地研究了實驗上觀察到的典型d0鐵磁性體系。根據雜質帶相對於宿主帶隙的位置,我們將d0鐵磁性分為p型和n型。針對p型d0鐵磁性,我們的研究結果表明,當考慮陰離子p電子關聯時,局域磁矩間可能並不存在長程鐵磁交換相互作用。這使得 N/C摻雜ZnO/MgO的室溫d0鐵磁性的起源再次成為疑問。 針對n型d0鐵磁性,我們做了詳細研究,並得到了多個重要結論:(1)ZnO中的單個和多個氧空位(VO)並不能導致局域磁矩。這推翻了關於ZnO的n型d0鐵磁性的猜測。(2)N/C摻雜MgO中的VO對局域磁矩的影響依賴於結構。在某些結構中,局域磁矩從 N/C轉移到了VO上。這為解釋n型d0鐵磁性提供了另一個思路。(3)Ti:ZnO具有局域磁矩。這表明非磁性金屬摻雜可能導致d0鐵磁性。(4)VO:TiO2體系中可能存在強磁各向異性。這為從實驗上探索d0鐵磁性的起源提供了一個新途徑。(5)VO:HfO2和VO:SnO2沒有磁性。這表明它們的d0鐵磁性可能另有原因。我們進一步拓展到表面/界面以及低維體系,並得到了多個重要結論:(1)TiO2/SrTiO3界面處 的VO可以導致局域磁矩,且它們之間的交換相互作用呈鐵磁性。(2)TiO2表面處的VO也可以導致局域磁矩,且它們之間的交換相互作用呈鐵磁性。(1)(2)暗示TiO2薄膜的d0鐵磁性很可能來自表面/界面處的缺陷。(3)HfO2表面的單個VO沒有磁性,而特定的雙VO結構卻有。這暗示HfO2薄膜的磁性可能來自其表面。(4)IA、IIA、VIA元素摻雜的h-BN單層都有局域磁矩。這表明d0鐵磁性可能廣泛存在於低維體系之中。此外,我們還研究了塊體以及低維稀磁半導體中的磁各向異性,以及尖晶石體系中的半金屬性和磁性。

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