金紅石結構超晶格的第一原理計算.pdf

1、近年來，基于密度泛函理論的第一性原理(Frist-principle或ab initio)計算方法已經成為科學研究的重要手段。特別是近半個世紀高速計算機的發(fā)展和應用，第一原理計算方法已經成為研究和開發(fā)新材料的一種重要的方法。過渡金屬氧化物以其特殊的物理性質，在很多領域都有重要的應用價值。上個世紀開始，科學工作者們就對具有金紅石結構的過渡金屬氧化物二氧化鉻(CrO2)、二氧化鈦(TiO2)、二氧化釩(VO2)、二氧化銣(RuO2)、二氧化

2、銥(IrO2)、二氧化鋯(ZrO2)、二氧化錫(SnO2)、二氧化錳(MnO2)在理論上和實驗上做過深入細致的研究，并且有許多相關的研究報道[1-5]。這類氧化物已經在工業(yè)中得到廣泛的應用。近年來，隨著技術不斷提高，原子層可控生長在實驗上已經可以通過外延技術實現。有相同結構的CrO2，TiO2和VO2晶格失配在4％以內，這意味著在一定的條件下可以得到CrO2/TiO2和CrO2/VO2的異質超晶格結構?？紤]到納米系統(tǒng)的復雜性，運用第一性

3、原理計算方法研究和探索其性質，具有重要的意義。
　　 本文運用第一性原理計算方法系統(tǒng)研究了下列四種情況：⑴以CrO2晶格常數作為原胞基矢沿(001)方向構建超晶格，該超晶格中的Cr層和Ti層以一定比例沿(001)方向有序排列，用(CrO2)m/(TriO2)n表示。⑵以CrO2晶格常數作為原胞基矢沿(001)方向構建超晶格，該超晶格中的Cr層和V層以一定比例沿(001)方向有序排列，用(CrO2)m/(VO2)n表示。⑶以TiO

4、2晶格常數作為原胞基矢沿(001)方向構建超晶格，該超晶格中的Ti層和Cr層以一定比例沿(001)方向有序排列，用(ZiO2)m/(CrO2)n表示。⑷以VO2晶格常數作為原胞基矢沿(001)方向構建超晶格，該超晶格中的V層和Cr層以一定比例沿(001)方向有序排列，用(VO2)m/(CrO2)n表示，本文中我們研究了m，n=1，2，3的情況。計算結果顯示(CrO2)m/(TiO2)n和(ZiO2)m/(CrO2)n經過優(yōu)化后，Ti-O

5、鍵的鍵長變長，而Cr-O鍵的鍵長變短。(CrO2)m/(VO2)n和(VO2)m/(CrO2)n優(yōu)化前后鍵長鍵角也都有變化，但是變化具有隨機性。我們對超晶格(TiO2)m/(CrO2)n和(VO2)m/(CrO2)n做體積優(yōu)化，固定a，b軸的值，改變c軸值的大小，發(fā)現大部分超晶格的c軸沒有明顯的收縮和伸展。除了(VO2)2/(CrO2)2超晶格，這四類超晶格都具有鐵磁半金屬性質。超晶格中每個Cr原子貢獻2μB的磁矩，每個Ti原子的磁矩為

6、OμB，每個V原子貢獻1μB的磁矩，這個值并不隨著Cr、Ti、V層所占比例變化而變化。對于(CrO2)m/(TiO2)n和(TiO2)m/(CrO2)n超晶格，其自旋向下電子態(tài)帶隙與CrO2自旋向下帶隙相差不大，且當Ti原子層一定時，隨著Cr原子層的增加，帶隙會逐漸變小。對于(CrO2)m/(VO2)n和(VO2)m/(CrO2)n超晶格，其自旋向下電子態(tài)帶隙要小于CrO2自旋向下帶隙。對比單胞中CrO2的Cr的t2g態(tài)，由于Ti原子的