空位缺陷及掺杂对反钙钛矿结构材料磁性影响的第一性原理研究

摘要

本论文采用第一性原理方法计算研究了反钙钛矿结构新材料的晶体结构,电学性质,重点讨论了空位缺陷和掺杂对该大类材料磁性的影响。论文主要内容包括以下几个方面:首先在绪论中我们介绍了该大类材料的基本结构。在人类生活中的巨大应用前景,该大类材料的研究现状以及面临主要亟待解决的问题。其次在理论计算部分介绍了我们计算用到的理论基础和计算软件,程序流程等方面内容。再次我们研究了空位缺陷对Mn3GaC1-x(x=0,0.125,0.25)的晶体结构,电子结构和磁学性质的影响。该材料晶体结构为立方晶格,晶格常数和原胞体积随C原子空位浓度的增加而减小。三种空位浓度下材料的顺磁,反铁磁和铁磁态的能量计算表明在x=0,0.125时材料反铁磁态能量最低,结构稳定,而x=0.25时铁磁态能量最低,结构稳定,这些都与实验结果一致。我们在自旋极化计算态密度图中得到不同空位浓度下材料都是金属态,分析出C2p与Mn3d态的轨道杂化作用是该材料发生磁性转变的主要因为。我们从自旋电荷密度分布图中发现在Mn3GaC0.875中,C原子空位周围的Mn原子磁矩方向是反铁磁排列而Mn3GaC0.75中是铁磁排列。最后我们用第一性原理密度泛函理论研究了Mn3Cu1-xGexN(x=0,0.125,0.25)的晶体结构,电子结构和磁学性质。在x=0时晶体是四方结构而x=0.125,0.25时是立方结构,发生了结构相变。原胞的体积随着Ge原子掺杂浓度的增加而变大。我们GGA+U的能带计算给出了不同浓度掺杂下材料都为金属,这一性质与实验结论是一致的。磁结构的计算表明当x=0是铁磁态而x=0.125,0.25是反铁磁态,发生了磁性相变。从态密度图中我们发现Ge4p态与Mn3d态的杂化作用是导致Mn3Cu1-xGexN材料发生磁性转变的主要因为,澄清了在这个问题上的争论。我们的研究结果表明一方面通过引入空位缺陷和掺杂可以改变该大类材料的许多物理特性,另一方面对空位缺陷和掺杂效应的理论研究也有助于对该类新材料物理本质的探索,为进一步的实验和应用奠定坚实的理论基础。