二元半金属铁磁体结构相变与磁相变的第一性原理研究

摘要

近年来，新兴学科半导体自旋电子学的发展使人们对电子自旋属性的利用越来越关注。相比传统的半导体器件，自旋电子器件拥有体积小、能耗低、速度快等优点，具有很大的应用价值。半金属铁磁体是制备自旋电子器件的重要材料之一，因此也成为了凝聚态物理和材料物理的研究热点。
　　自1983年半金属铁磁体的首次发现以来，很多化合物也被证明具有半金属铁磁性。半金属铁磁体独特的电子性质激励了大量科研人员寻找具有简单结构的二元半金属铁磁体。同时，具有足够大的磁矩、宽半金属带隙、高居里温度以及在晶格形变或者与相应半导体晶格常数不匹配的情况下还具有良好的稳定性等都是半金属铁磁体在实际应用中的需要。
　　高压效应是人们认识物质本质的一种重要途径，在加压过程中，晶体可能发生结构相变和磁相变。由于晶体的结构和晶胞的体积决定了电子能带的分布，压强又可以控制这两个关键因素，因此对半金属铁磁体进行加压研究对理解其基本性质、分析其成因非常有帮助。
　　本工作采用密度泛函理论对两种3d化合物（MnSn和MnSb）和两种sp化合物（SrC和SrN）高压下的行为进行了研究。文章选取岩盐(B1)、氯化铯(B2)、闪锌矿(B3)和镍砷(B81)四种结构作为初始相，对四种物质在加压过程中的晶体结构、电子性质与磁学性质进行了研究。计算结果表明所选四种化合物在加压过程中均发生结构相变和磁相变:
　　(1) MnSn:FM B8114GPa→FM B2145GPa→PM B2;
　　(2) MnSb: FM B8123GPa→PM B2;
　　(3) SrC: FM B14GPa→PM B2;
　　(4) SrN: FM B114GPa→FM B2345GPa→PM B2。
　　文章还通过声子能带、声子态密度和弹性劲度常数来探究晶格的动力学稳定性与力学稳定性。经过对四种化合物各性质随压强变化的严格计算，得出以下结论:
　　1.常压下，3d化合物B81结构最稳定，sp化合物B1结构最稳定;高压条件下，四种物质均倾向相变成B2结构。
　　2.结构相变总是伴随体积的塌缩，磁相变没有。体积是影响体系磁性和电子结构的决定性因素。
　　3.3d化合物的磁矩主要来自3d态的自旋劈裂，磁相变主要由于阳离子d态能带展宽。sp化合物2p态的自旋劈裂以及阴离子p态能带展宽是磁性和相变的主要原因。
　　4.常压下SrC和SrN具有很强的半金属性，MnSn和MnSb不是半金属铁磁体。MnSn和SrN随加压发生结构相变后仍然保持铁磁性，继续加压，在较高压强下发生铁磁相到顺磁相的转变;MnSb和SrC在较低压强下结构相变与磁相变同时发生。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 半导体自旋电子学

1．2 半金属铁磁体

1．3 高压物理学

1．4 本文工作

第二章 研究方法和意义

2．1 计算材料学概述

2．2 第一性原理方法和材料模拟软件

2．3 理论基础

2．3．1 密度泛函理I论

2．3．2 平面波赝势近似方法

第三章 二元3d化合物(MnSn和MnSb)的加压研究

3．1 模型建立与参数设置

3．2 常压下晶格常数与磁性

3．3 焓值、公切线方法预测相变

3．4 动力学、力学稳定性判据

3．5 加压过程中的磁性、体积和键长

3．6 能带和态密度

第四章 二元sp化合物(SrC和SrN)的加压研究

4．1 模型建立与参数设置

4．2 焓值、公切线方法预测相变

4．3 动力学、力学稳定性判据

4．4 加压过程中的磁性、体积和键长

4．5 能带和态密度

第五章 全文总结

参考文献

致谢

硕士期间成果