论文摘要
1988年P.Grunberg和Fert等人在Fe／Cr超晶格中发现巨磁电阻（GMR）效应，这种技术迅速在传感器、磁头和存储介质领域得到应用，并在自旋晶体管、全金属计算机等领域呈现诱人的应用前景。P.Grunberg和Fert也因此获得2007年诺贝尔物理奖。随着纳米技术的飞速发展，人们发现部分过渡金属氧化物在特定的温度下也具有类似与多层膜的磁性结构，磁性层间保持铁磁有序，而层间存在较弱的反铁磁耦合。2005年，日本学者J．Matsuno等人利用晶体的外延生长技术第一次合成Sr2MO4系列的（M=Ti,V,Cr,Mn和Co）单晶薄膜样品，同时他们在7K温度下测量单晶体系的光电导谱（M=Ti在室温下测量）。此种过渡金属氧化物中M4+离子3d电子呈现从0个到5个逐渐递增，电子有规律的占据相应的轨道，体系中电子结构也周期性变化。其中Sr2VO4晶体中具有与La2CuO4相同的晶格结构-K2NiF4，V4+外层只有一个3d电子，而Cu2+外层有一个空穴，因此深入研究Sr2MO4体系对于理解高温超导机制也有一定参考价值。本论文主要通过密度泛函理论的方法来研究Sr2MO4材料，研究涉及几何构型、电子结构和自旋特性等方面，主要包括一下几章内容：第一章简要介绍了磁电子学的最新进展，通过具有CMR效应的La1-xSrxMnO3氧化物来介绍强关联体系中3d电子实验、理论上的研究进展。日本学者J．Matsuno在2005年利用晶体外延生长技术制得的Sr2MO4单晶，其电荷／自旋／轨道有序态和金属-绝缘体转变引起广泛的研究。第二章介绍了密度泛函理论的基本理论框架。密度泛函理论方法在计算过程中不采用任何的经验参数，可以计算晶体的结构参数，电学和光学性质在计算物理学中受到广泛应用。本章介绍了密度泛函理论中涉及的绝热近似、Hartree近似、Hohenberg-Kohn定理、Kohn-Sham方程、LDA和GGA的交换关联泛函和赝势等相关定理和方法，最后介绍了本论文数据计算所采用的BSTATE软件。在第三章中，我们运用BSTATE程序研究Sr2MO4单晶薄膜中的电子态结构。交换关联泛函采用广义梯度近似（GGA）和GGA+U。通过反复比较不同自旋态下体系能量来确定基态的电子特性，最终得到以下的结论：1．Sr2TiO4是Mott绝缘态，其光电导谱同实验测量得到的结果比较一致，电子转移激发（氧的2p电子跃迁到导带）的起点大约在2．2eV左右。2．对Sr2VO4体系来说，采用广义梯度近似（GGA）没有得到绝缘态的电子特性。采用GGA+U的方法来处理体系中的电子相互作用，发现基态是面内反铁磁态。当Ueff=2eV时，体系出现一个从导体到Mott型绝缘体的转变。当Ueff=3eV时，电子完全占据dyz／zx能级，这个结果跟Weng结果相符。我们又计算Ueff=2eV时的光电导谱，大体形状跟实验结论基本吻合。3．Sr2CrO4体系，计算发现其电子态结构跟Sr2VO4体系类似，当Ueff大于4eV时，体系出现金属-绝缘态的转移，基态体系是ab面内的反铁磁态。4．对于Sr2MnO4单晶，GGA+U计算能量表明ab面内的反铁磁态是系统的基态。根据电子跃迁的光电导谱利各电子的投影密度分析可得，Sr2MnO4是CT绝缘体，跟J．Mastsuno的实验结论一致。