低维体系d~0铁磁性的第一性原理计算研究

发布时间：2021-03-21 16:28

近年来,实验上发现的不被期望的d0铁磁性现象挑战了传统的磁学理论,引发了磁学界的激烈争论成为研究的热点。作为衔接实验与理论的计算模拟方法是探索d0铁磁性现象背后真实物理机制必不可少的方式。本文采用基于密度泛函理论(DFT)的电子结构计算方法,对存在d0铁磁性现象的过渡金属氧化物(TiO2、HfO2)、两性氧化物(Sn02)、以及碱性氧化物(MgO)的低维体系进行了系统的第一性原理计算研究,为揭示实验上所观察到的d0铁磁性现象提供了非常重要的理论依据。本文的主要研究成果及结论如下：第一、GGA+U方法计算研究表明锐钛矿型Ti02(001)表面位于脊处的氧空位VOA是最稳定的空位缺陷,VOA缺陷可以产生1.63μB的磁矩,且主要是由VOA周围Ti原子的3d轨道电子贡献；同时,VOA会在体系的带隙中距离导带低约0.94eV处产生一个自旋极化的缺陷态；虽然当两个VOA之间的距离为5.340A时,由于Ti-Ti间距离的减小会导致体系出现自旋二聚物现象,使得体系处于低自旋态,然而不同距离VOA磁性耦合研究发现铁磁性依然是主要的。此外,对锐钛矿型Ti02(001)表面另一种位于谷处的氧空位VOB的研究发现其性质与氧空位VOA类似,VOB也可以在体系中产生局域磁矩(1.48μB),且不同距离的VOB之间的磁性耦合也是铁磁性的。第二、采用电子结构计算方法研究锐钛矿型TiO2(101)表面发现只有三配位的氧原子(O3c)产生的空位VO3c可以在体系中产生稳定的局域磁性态,产生的磁矩为1.05μB；且磁矩主要由VO3c周围三个Ti原子的3d轨道电子贡献；VO3c可以在费米能以下约0.22eV处形成一个自旋极化的缺陷态。不同距离VO3c之间的磁性耦合也是铁磁性的。第三、界面体系TiO2/SrTiO3的第一性原理计算研究结果表明界面处TiO2层中的氧空位VO1是最稳定的氧空位缺陷,可以产生0.36μB的磁矩,且主要由VOI周围Ti原子的3d轨道电子贡献；研究还发现,结构弛豫对TiO2/SrTiO3界面体系产生磁性有重要影响,弛豫会导致VOl空位周围Ti-Ti键长的增加,不会引起自旋二聚物的产生,使得体系由弛豫前的低自旋态转变为弛豫后的高自旋态。此外,界面处VOl空位之间也是铁磁性耦合的。第四、单斜结构Hf02(111)以及(111)表面的计算研究结果表明单个孤立的氧空位并不能在Hf02表面产生磁性,但是由两个氧空位形成的复合缺陷(CDOV)却可以在(111)以及(111)表面产生稳定的局域磁矩。然而CDOV需要满足两个基本条件：首先,CDOV中有氧空位可以产生非基态的铁磁性状态；其次,CDOV中两个氧空位之间的距离必须小于或等于临界距离dCDOV,计算结果显示HfO2(111)以及(111)表面的dCDOV分别为2.792A、2.957A。研究表明满足这两个基本条件的氧空位复合缺陷CDOV可以在HfO2(111)、(111)表面体系中产生稳定的局域磁性态,磁矩大小均为2.0μB,且均是由相应CDOV周围Hf原子的d轨道电子贡献。第五、第一性原理计算研究含氧缺陷的金红石型Sn02(001)以及(110)表面的计算结果表明无论是单个氧空位缺陷还是由两个最近邻氧空位形成的复合缺陷均不能在体系中产生局域磁矩,体系是非磁性的。第六、MgO(001)表面GGA方法研究表明氧空位缺陷以及两个最近邻的氧空位形成的复合缺陷均不会在体系中引入局域磁矩；而Mg空位可以在(001)表面产生磁性,研究发现单个Mg空位可以产生0.35μB的磁矩。此外,MgO(001)表面不同距离Mg空位之间的磁性耦合研究发现最近邻的两个Mg空位之间是反铁磁性耦合的；而次近邻的两个Mg空位之间却是铁磁性耦合的,且可在体系中产生4.00μB的磁矩,计算表明磁矩均是由O原子的2p轨道电子贡献。
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM27

文章目录

摘要

Abstract

第一章绪论

第一节磁现象与磁学

1.1.1 磁学的发展历史

1.1.2 磁学的研究范畴及方法

1.1.3 磁学的应用及展望

第二节物质的磁性

1.2.1 引言

1.2.2 原子磁矩

1.2.3 无序磁性

1.2.4 有序磁性

第三节材料中的缺陷

1.3.1 引言

1.3.2 点缺陷的种类

1.3.3 点缺陷对材料性能的影响

第四节 d0铁磁性

1.4.1 d0铁磁性的起源

1.4.2 d0铁磁性的研究现状

1.4.3 d0铁磁性的研究意义

第五节本文研究工作纲要

1.5.1 本文的选题背景及意义

1.5.2 本文主要研究内容

第二章电子结构计算方法

第一节第一性原理计算概述

2.1.1 引言

2.1.2 电子结构计算基本概念

第二节哈特里-福克方程

2.2.1 基本近似

2.2.2 Hartree-Fock方程局限性

第三节密度泛函理论（DFT）

2.3.1 引言

2.3.2 Hohenberg-Kohn定理

2.3.3 Kohn-Sham方程

2.3.4 交换关联泛函

2.3.5 DFT理论的求解方法

2.3.6 DFT理论的发展

第四节常用计算软件简介

2.4.1 Gaussian系列

2.4.2 DMol系列

2.4.3 CASTEP系列

2.4.4 VASP系列

2.4.5 WIEN系列

第三章锐钛矿结构TiO2体系d0铁磁性的研究

第一节研究背景

3.1.1 TiO2的基本性质及结构

3.1.2 TiO2体系d0铁磁性研究现状

第二节锐钛矿型TiO2体材料的电子结构

3.2.1 引言

3.2.2 模型与计算方法

3.2.3 计算结果与分析

第三节锐钛矿型TiO2（001）表面的磁性研究

3.3.1 引言

3.3.2 电子结构计算方法

3.3.3 计算模型

3.3.4 TiO2（001）表面的电子结构与磁性

第四节锐钛矿型TiO2（101）表面的磁学性质

3.4.1 引言

3.4.2 计算方法

3.4.3 TiO2（101）表面几何结构

3.4.4 TiO2（101）表面电子结构与磁性

第五节异质结构TiO2/SrTiO3界面d0铁磁性的研究

3.5.1 引言

3.5.2 电子结构计算方法

3.5.3 TiO2/SrTiO3界面计算模型

3.5.4 计算结果及分析

第六节本章小结

第四章单斜结构HfO2表面体系d0铁磁性的研究

第一节研究背景

4.1.1 HfO2的基本性质及结构

4.1.2 HfO2体系d0铁磁性研究现状

第二节单斜结构HfO2体相的电子结构

4.2.1 引言

4.2.2 计算方法及模型

4.2.3 计算结果及分析

第三节单斜结构HfO2表面体系的磁性研究

4.3.1 引言

4.3.2 电子结构计算方法

4.3.3 单斜结构HfO2（111）表面的磁性研究

4.3.4 单斜结构HfO2（111）表面的磁性研究

4.3.5 分析与讨论

第四节本章小结

第五章金红石型SnO2表面体系电子结构的研究

第一节引言

5.1.1 SnO2的基本性质及结构

5.1.2 研究背景

第二节氧缺陷对金红石型SnO2体相电子结构及磁性的影响

5.2.1 计算方法及模型

5.2.2 计算结果及分析

第三节氧缺陷对金红石型SnO2表面电子结构及磁性的影响

5.3.1 电子结构计算方法

5.3.2 含氧缺陷的SnO2（001）表面电子结构及磁性研究

5.3.3 含氧缺陷的SnO2（110）表面电子结构及磁性研究

第四节本章小结

第六章 MgO表面d0铁磁性的研究

第一节引言

6.1.1 MgO的基本性质及结构

6.1.2 研究背景

第二节计算方法及模型

第三节 MgO（001）表面电子结构及磁性研究

6.3.1 含氧缺陷的MgO（001）表面电子结构及磁性研究

6.3.2 含Mg空位的MgO（001）表面电子结构及磁性研究

第四节本章小结

第七章总结与展望

第一节主要结论

第二节后续研究工作展望

参考文献

致谢

个人简历在学期间发表的学术论文与研究

【参考文献】