4d/5d化合物磁性及金属-绝缘体转变的研究

Compared with their 3d counterparts, the electron correlation in 4d/5d transition metal compounds are much reduced. The competition and cooperation of the reduced electron correlation with the crystal structure, orbital and spin degree of freedom result in the variety of magnetic and electric properties in such compounds. Due to the complexity of these interactions, many magnetic and electric properties in the 4d/5d compounds are still under debates...To clarify these debates, in this proposal, we will study the typical 4d/5d compounds using density functional theory combined with model calculations in the following aspects: (1)The exchange interactions of the next and even farther nearest neighbors in spin frustrated 4d/5d compounds are considered in order to determine the ground state spin configurations in these compounds. (2)The orbital occupation patterns of d electrons in the three-fold degenerated t2g 4d/5d compounds will be investigated and the observed magnetic phenomena will be explained based on the orbital occupations. (3) The origins of the metal-insulator transition in 4d/5d compounds will be studied and the general principles of the effects of crystal structure, orbital, spin degree of freedom and the electron correlation on metal-insulator transitions will be revealed. The above studies will greatly help us in understanding the magnetic and electric phenomena in the 4d/5d compounds, and in the future design and synthesis of new functional materials.

相对于3d过渡金属化合物，4d/5d化合物中d电子关联降低。降低的电子关联与晶格、轨道、自旋等自由度竞争与合作，使得4d/5d化合物中磁和电的现象更加丰富。多种因素相互作用的复杂性也使得人们对4d/5d体系中磁和电现象的解释存在很大的争议。. 针对存在的争议，本项目选取典型的4d/5d化合物为研究对象，采用密度泛函理论结合模型计算的方法从以下几个方面进行研究：(1)在磁阻挫的4d/5d化合物中，考虑次近邻甚至更远距离的交换作用，确定材料的基态磁序。(2)研究三重简并的t2g 4d/5d化合物中轨道占据的形式，进而解释各种磁现象产生的微观机制。(3)探索4d/5d化合物金属-绝缘体转变的原因，总结晶格、轨道以及自旋自由度与电子关联在金属-绝缘体转变中所起的作用的一般规律。以上研究将为认识4d/5d过渡金属化合物的磁和电的现象提供理论依据，为设计和合成新的功能材料奠定基础。

4d/5d化合物是目前磁学领域重要的研究对象之一。这类材料的电子关联与晶格、轨道、自旋等自由度竞争与合作，使得4d/5d化合物中的磁和电现象的起因变得复杂，许多物理机制还不清楚。在本项目的资助下，我们采用密度泛函理论结合模型计算的方法对5种4d/5d化合物的特殊的磁和电的现象的物理机制进行了研究，相关成果概述如下：（1）In3Cu2VO9中沿c轴方向的磁阻挫导致了体系中存在量子自旋无序。（2）层状钙钛矿结构的α- K2AgF4 铁磁是层内第一近邻Ag 离的eg 轨道不同能级之间的电子跃迁导致的。（3）Cs2KAgF6体系中+3价Ag离子处于高自旋态。高自旋态源于Ag-F间存在很强的杂化作用使得AgF6八面体中F离子配体的部分电荷转移给了Ag，+3价Ag离子上有9个电子占据， 体系处于高自旋态。（4）在Lan+1NinO2n+2体系中，当维度增加时，活跃的3z2-r2轨道从不连续的分子能级过渡到连续的能带模型，它的电子填充方式也因此发生了变化。因此，二维的La3Ni2O6 和 La4Ni3O8 可认为是分子型绝缘体。三维的LaNiO2中Ni-3d 扩展的3z2-r2带与La-5d杂化从而导致LaNiO2是金属。（5）压力使得Sr3Fe2O5层间距的降低因此抬高了3z2-r2态，它上面的电子部分的占据了x2-y2态，从而导致了压力下的金属绝缘体转变的发生。以上研究为认识和理解4d/5d过渡金属化合物的磁和电的现象提供了新的模型和物理图像。通过三年的研究，我们正式发表文章4篇，一篇文章已接收，很好地完成了项目的预定任务。