磁性杂质在反铁磁晶格中的磁耦合和团簇化现象的研究

在反铁磁体系中通过掺入非等价态的磁性杂质来实现宏观铁磁性，不仅在基础研究上有重大的理论意义，对拓展磁性半导体和多铁材料的实际应用也有重要的实践意义。本项目拟利用第一性原理计算对过渡金属磁性杂质在几种具有反铁磁晶格的闪锌矿结构的半导体（如MnTe等，磁性原子局域为四面体结构）和钙钛矿结构多铁材料（BiCoO3等，磁性原子局域为八面体结构）中的磁耦合和团簇化现象进行研究。同时对磁性杂质在钙钛矿多铁材料中的磁耦合作用展开相应的实验研究。通过与磁性杂质在相应的无磁性体系中相互作用的比较，了解反铁磁网络是否能增强磁性杂质之间的铁磁性关联，是否能帮助克服大多数磁性半导体中经常出现的团簇化现象。进一步分析和总结晶体结构和电子结构对磁耦合的影响，结合基于逾渗理论(percolation)的Monte Carlo模拟研究相关体系中实现宏观铁磁性对磁性杂质浓度的要求。

磁性杂质间的团簇化及其弱的磁耦合是阻碍通过掺杂传统半导体来实现自旋电子学器的主要障碍。我们已经在一定程度上理解了半导体本身的晶格磁背景对过渡金属杂质的团聚和磁耦合的影响。掺杂原子在非磁性的II-VI族半导体母体（ZnTe和CdTe）的性质相比较，我们发现Mn的反铁磁背景明显地减缓了除了Ni以外的这些过渡金属的团簇化趋势。同时，MnTe中的反铁磁背景也增强了Fe和Ni杂质之间的铁磁耦合，以及Co杂质之间的反铁磁耦合。综合来看，MnTe的反铁磁背景对Fe杂质同时具有减缓团簇化。通过基于第一性原理的高通量计算，研究了2000多种可能的半哈斯勒合金的自旋轨道耦合对其能带结构的影响，并发现LiAuS和NaAuS是具有最宽带隙的半哈斯勒合金拓扑绝缘体。另外我们还开展了一些钙钛矿多铁材料的结构稳定性，以及杂质磁性原子在这些体系中的磁耦合机理等工作。