（凝聚态物理专业论文）新型强关联电子材料电子态和磁性研究.pdf

中文摘要 摘要 本论文从理论上研究了两类新型强关联电子材料一m n 掺杂的i i i v 族稀磁半导体 和n a 。c 0 0 2 体系的电子态和局域自旋之间的磁耦合方式，旨在阐明稀磁半导体中铁磁 长程序的物理机理和n a 0 5 c 0 0 2 反铁磁绝缘基态的形成原因。其主要内容如下： 首先，简要介绍了i i i - v 族稀磁半导体和n a z c 0 0 2 体系的研究现状及存在的物理问 题，并提出了本论文的研究内容及其科学意义。 接下来，我们系统地研究了i i i | v 族稀磁半导体中单个m n 杂质的电子态和m n - m n 局 域自旋间的磁耦合方式。从实际的物理参数出发经研究发现，当p - d 杂化强度大于临 界值k 且p 电子能级玩和d 电子的能级助均靠近带隙中间时，m n - a s ( n ) 之间是强反铁磁 极化的，这与磁性圆二色实验信号一致。相反，当很小且玩、玩在价带中较深时， 相对于d 电子来说p s a 子是弱铁磁极化的。由于m n 原子噩口一3 d 轨道少于半满的电子填充 导致m n 受主杂质各向异性的空间电荷分布，这与实验上扫描隧道显微镜得到的图象相 吻合。在p 轨道半满或全满时，m n m n 局域自旋之间的磁相互作用能与m n m n 局域自 旋之间的夹角成c o s 口关系，这是海森堡型( h e i s e n b e r g ) 反铁磁耦合；相反，对于偏离半 满的p 轨道，m n m n 局域自旋之间磁耦合强度与其夹角成ic o s ( 0 2 ) i 关系，具有典型的 双交换型相互作用的特征。在实际的稀磁半导体体系中，杂质的浓度很低，同时还存 在着a s 反位替代、间隙m n 原子等缺陷或者有可能存在着空穴相分离，所以p 轨道是偏 离半满的，故m n - m n 自旋之间这种双交换型铁磁基态更为稳定。由于比较强的p - d 杂 化，体系中形成两个比较窄的杂化带，主要具有d 轨道特征的杂化带仍然要通过强的洪 特耦合同局域自旋相互作用。类似于掺杂的锰氧化物中铁磁序建立的物理图象，载流 子在局域自旋之间的跳跃就形成了m n m n 局域自旋之间的双交换型的铁磁耦合并最终 导致稀磁半导体中的铁磁长程序。此结论同样适用于晶格体系。 除此之外，本文还研究了n a 霉c 0 0 2 体系的电子态和磁相关性质。在c o 离子形 成的二维三角格子上，采用k o t l i a r - r u c k e n s t e i n 发展的隶玻色子方法研究了扩展单 带h u b b a r d 模型均匀顺磁相的电子态性质。我们发现：在低掺杂的情况下，均匀顺磁 相对应金属态，强的电子问相互作用使能带相对于紧束缚能带变窄；在高掺杂的情 况下，顺磁相分离态比均匀顺磁相的能量要低，表明在高掺杂的n a 。c 0 0 2 中，相分 离是可能的。并且，在单带为四分之三电子填充时，我们用平均场近似( m f a ) 方法研 究n a o 5 c 0 0 2 有序相的性质。研究结果表明，电荷序和自旋序超结构的形成使得原来 的一条紧束缚能带劈裂为四支子带，在库仑作用比较小时，费米面附近有赝能隙出 现，能谱在布里渊区的k 点附近呈现d i m c 一型的线性色散。随着库仑作用的增强，最 上面的两支子带劈裂开，并且下面的三支子带被推到费米面以下，形成带隙。所以 在n a z c 0 0 2 体系的相图上只有n a o 5 c 0 0 2 具有绝缘基态。 最后，我们进行了总结并提出了在这两类材料中值得进一步探索的物理问题。 关键词：稀磁半导体、n a x c 0 0 2 、电子态、磁耦合、电荷序、自旋序 英文摘要 a b s t r a c t e l e c t r o n i cs t a t e sa n dm a g n e t i ci n t e r a c t i o n sb e t w e e nl o c a ls p i n si nt w ot y p e so fn e w s t r o n g l yc o r r e l a t e de l e c t r o ns y s t e m s ，m nd o p e dd i l u t e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r s ( d m s ) a n dn a 2 c 0 0 2 ，a r ei n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l yi nt h ep r e s e n td i s s e r t a t i o n t h ef o c u si st o c l a r i f yt h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo ft h ef e r r o m a g n e t i c ( f m ) l o n gr a n g eo r d e r ( l r o ) i nd m s a n dt h er e a s o no ft h ea n t i f e r r o m a g n e t i c ( a f m ) i n s u l a t i n gg r o u n ds t a t ei nn a o 5 c 0 0 2 t h e m a i nc o n t e n t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： a tf i r s t ，t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fd m sa n dn a x c 0 0 2 ，t h eo p e np h y s i c a lp r o b l e m s a n dt h ei m p o r t a n c eo ft h ec o n t e n t si nt h ed i s s e r t a t i o na r eb r i e f l yi n t r o d u c e d t h e n ，t h ee l e c t r o n i cs t a t e so fs i n g l em ni m p u r i t ya n dm a g n e t i cc o u p l i n g sb e t w e e nm n s p i n si nd m sh a v eb e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y s t a r t i n gf r o mt h er e a l i s t i ci n t e r a c t i o n p a r a m e t e r si nd m s s ，w ec l e a r l ys h o w e dt h a ti nt h eg r o u n ds t a t e ( g s ) ，t h em ns p i n a n t i f e r r o m a g n e t i c a l l y ( a f m ) c o u p l e st os u r r o u n d i n ga s ( n ) a t o m sa sp - dh y b r i d i z a t i o n v p di sl a r g e rt h a nac r i t i c a lv a l u e 亿a n db o t ht h epe l e c t r o nl e v e l 玩a n dt h ei m p u r i t y l e v e le da r ec l o s et ot h em i d d l eo ft h eg a p ；o rv e r yw e a kf mw h e n i ss m a l la n db o t h 战a n de da r ed e e pi nt h ev a l e n c eb a n d t h i sa f mp o l a r i z a t i o ni si na g r e e m e n tw i t h w i d e l yo b s e r v e dn e g a t i v em a g n e t i cc i r c u l a rd i c h r o i s ms i g n a lo fa ss i t e s m o r e o v e r ，w e c l a r i f yt h a tt h ea n i s o t r o p i cs p a t i a lc h a r g ed i s t r i b u t i o no fam na c c e p t o ri ni i i - vd m s si s o w i n gt ot h a tm nt 2 9 - 3 do r b i t sa r el e s st h a nh a l f - f i l l i n g ，w h i c hi si na g r e e m e n tw i t ht h e i m a g eo ft h es c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p y ( s t m ) f o rh a l f - o rf u l l - f i l l e dp - o r b i t s ，t h e m a g n e t i cc o u p l i n ge n e r g yi sp r o p o r t i o n a lt oc o s9 w h e r epi st h ea z i m u t ha n g l eb e t w e e n t h et w om ns p i n s w h i c hi st h eh e i s e n b e r ga f mc o u p l i n g ；o nt h ec o n t r a r y , t h em a g n e t i c c o u p l i n ge n e r g yi sp r o p o r t i o n a lt oc o s ( 0 2 ) 1w h e ne l e c t r o no c c u p a t i o ni np - o r b i t si sa w a y f r o mh a l f - o rf u l l - f i l l i n g ，w h i c hi st h ee s s e n t i a lc h a r a c t e ro ft h ed o u b l e - e x c h a n g e - l i k ef m c o u p l i n g t h em ni m p u r i t i e sc o n c e n t r a t i o ni sv e r yl o wi nt h er e a l i s t i cd m s a tt h es a m e t i m e ，t h ea n t i s i t ea sc o m p e n s a t i o n ，t h ei n t e r s t i t i a lm na t o m s ，o rt h eh o l ec a r r i e r sp h a s e s e p a r a t i o nm a k epo r b i t sd e v i a t ef r o mh a l ff i l l i n g ，s t a b i l i z i n gt h ef mg r o u n ds t a t ei n i i i - vd m s d u et ot h es t r o n gh y b r i d i z a t i o no ft h ea s ( n ) po r b i t sw i t ht h e3 de l e c t r o n s ， t h es y s t e mf o r m st w oh y b r i d i z e dn a r r o wb a n d s ；t h eh y b r i d i z e db a n dw i t hd o m i n a n td o r b i t a lc h a r a c t e rc o u p l e st ot h em nl o c a ls p i n sv i as t r o n gh u n d sc o u p l i n g ，t h u st h e h o p p i n go ft h em o b i l eh o l e sb e t w e e nl o c a l i z e ds p i n sg i v e sr i s et ot h ed o u b l e - e x c h a n g e - l i k e f m c o u p l i n ga n dl e a d st ot h ef mo r d e ri nd m s s i m i l a rt ot h a ti nd o p e dm a n g a n i t e s w ea l s oa r g u et h a tt h e s er e s u l t sa b o u tt h em i c r o s c o p i cm e c h a n i s mo ff m l r os t i l lh o l d q u a l i t a t i v e l yf o rt h el a t t i c es y s t e m s i na d d i t i o n ，t h ee l e c t r o n i cs t a t e so fh o m o g e n o u sa n dp a r a m a g n e t i c ( p m ) p h a s ea b o u t t h ee x t e n d e ds i n g l 争b a n dh u b b a r dm o d e li nat w o - d i m e n s i o n a lt r i a n g u l a rl a t t i c ef o r m e db y t h ec oi o n si nn a 它c 0 0 2a r ei n v e s t i g a t e db yt h ek o t l i a r - r u c k e n s t e i ns l a v e - b o s o na p p r o a c h f o rt h el o wd o p i n gc o n c e n t r a t i o nz ，t h eh o m o g e n o u sp h a s ei sm e t a l l i c ，a n dt h es t r o n g i i i 英文摘要 c o u l o m bi n t e r a c t i o nb e t w e e ne l e c t r o n sm a k e st h ee n e r g yb a n dn a r r o w e rr e l a t i v et ot h e b a r et i g h tb i n d i n gb a n d t h ee n e r g yo ft h ep mp h a s e - s e p a r a t e d ( p s ) s t a t ei sl o w e rt h a n t h a to ft h eh o m o g e n o u sp mp h a s e w h i c hi n d i c a t e st h a tp si sp o s s i b l ef o rt h eh i g h e r d o p i n gc o n c e n t r a t i o ni nn a 岔c 0 0 2 m o r e o v e r ，t h es i n g l eb a n dh u b b a r dm o d e lw i t ht h r e e - q u a r t e rf i l l i n gc o r r e s p o n d i n gt ot h eo r d e r e dp h a s eo fn a o 5 c 0 0 2i ss t u d i e dw i t h i nt h em e a n f i e l da p p r o x i m a t i o n ( m f a ) o u rr e s u l t si n d i c a t e st h a to n et i g h tb i n d i n ge n e r g yb a n ds p l i t s i n t of o u rs u b b a n d sd u et ot h ef o r m a t i o no ft h es u p e r s t r u c t u r ew i t hc h a r g eo r d e r i n ga n d s p i no r d e r i n g f o rs m a l lc o u l o m bi n t e r a c t i o n s ，t h el o w - e n e r g ys u b b a n d sc r o s se a c ho t h e r w i t had i r a c - l i k es p e c t r u ma r o u n dk p o i n t si nt h eb r i l l o u i nz o n e ，a n dt h ed e n s i t yo f s t a t e sa l m o s tv a n i s h e sn e a rt h ef e r m is u r f a c e i n d i c a t i n gap s e u d o g a pp h a s e w i t ht h e i n c r e a s eo fc o u l o m bi n t e r a c t i o n s ，t h eu p p e rs u b b a n d ss p l i ta n dt h et h r e e l o w e rs u b b a n d s a r ep u s h e dd o w nb e l o wt h ef e r m is u r f a c e ，w h i l s tt h em o s tu p p e rs u b b a n di sf u l l ye m p t y , h e n c et h ei n s u l a t i n gg a po p e n s t h e r e f o r e ，t h eg r o u n ds t a t eo fn a o s c 0 0 2i s u n i q u e l y i n s u l a t i n gi nt h ep h a s ed i a g r a mo fn a 口c 0 0 2 t h ef i n a lp a r td e v o t e st oab r i e fs u m m a r y , a n ds o m ep o s s i b l ep a y s i c a lp r o b l e m sa b o u t t h e s et w om a t e r i a l si nt h ef u r t h e rs t u d ya r ep u tf o r w a r d k e yw o r d s d i l u t e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r s ( d m s ) ，n a 。c 0 0 2 ，e l e c t r o n i cs t a t e s ，m a g - n e t i cc o u p l i n g ，c h a r g eo r d e r i n g ，s p i no r d e r i n g i v 插图目录 插图目录 1 - 1 动态交换作用的示意图。4 1 2 超交换作用的示意图，其中( a ) 阳离子的3 d 壳层半满或大于半满( 过渡金属离子反 铁磁排列) ，( b ) m 离子的3 d 壳层少于半满( 过渡金属离子铁磁排列) 。 5 1 3 双交换机制( 包括两个m n 离子和中间o 的p 轨道，左右两边的箭头代表局域自 旋s = 3 2 ) 的示意图。5 1 4r k k y 交换积分常数随局域自旋之间距离的变化曲线。8 1 5 三种类型的半导体：( a ) 非磁半导体，其中不含有磁性元素；( b ) 磁性半导体，其 中磁性元素周期性排列；( c ) 稀磁半导体，非磁半导体和磁性杂质元素组成的合 金。9 1 6 在( c a ，m n ) a s 与( i n ，m n ) a s 薄膜中，立方晶格常数a o 对m n 杂质浓度茁的依赖关 系。插图为( g a ，m n ) a s 晶格常数在浓度比较低时的放大图。见o h n oe ta 1 ，r e f 【船i 。1 2o-o工j 1 7 m n a o 杂质的s t m 图象。上图：负偏压( 左) 和正偏压( 右) 时的能带；下 图：m n a 口杂质的电离负电荷中心( 左) 和中性态中心( 右) 咿“。见y a k u n i ne ta 1 r e f 【6 引1 3 1 8 不同的掺杂浓度x 下，在m u f f i n - t i n 球内，m n 原子不同轨道上的电子占据数。 见z h a oe ta 1 r e f 1 7 0 1 。1 。l 1 9 ( g a m n ) a s 中单个m n 杂质受主能级的劈裂，见j u n g w i r t he ta 1 r e f _ “。1 4 1 1 02 0 0 n m 厚的g a o 9 4 7 m n o 0 5 3 a s 薄膜在不同温度下磁化强度对磁场的依赖关 系( 左，b _ l _ p l a n e ) 驯；插图( b p l a n e ) ：剩余磁化强度随温度的变化关系。样 品g a o 9 2 m n o o s a s 中，剩余磁化强度和磁化率的倒数对温度的依赖关系( 右 图) ，其居里温度正高达1 7 3 k t 插图为此样品在1 7 2 k 时的磁滞回线( b p l a n e ) ， 见j u n g w i r t he ta 1 r e f ”。1 5 1 1 1 不同温度下，2 0 0 n m 厚的g a o 9 4 7 m n o 0 5 3 a s 薄膜的电阻r s h 。e t 对磁场的依赖关 系；下图为该样品的霍耳电阻r h n u 对磁场的依赖关系，见o h n oe ta 1 r e f 。1 6 1 1 2 零场下，g a l z m n z a s 薄膜的霍耳电阻p 对温度的依赖关系，z = 0 0 1 5 0 0 7 1 ，其中z = o 0 3 5 0 0 5 3 呈现金属行为；插图为z = 0 0 5 3 的样品电阻 在不同磁场下的温度依赖关系。见o h n o 和m a t s u k u r ae ta 1 r e f p 3 ”1 。1 7 1 1 3 两个束缚磁极化子相互作用示意图，小的和大的箭头分别代表杂质和空穴的自 旋，见k a m i n s k i 和d a ss a r m ae ta 1 r e f p “。1 8 1 1 4n a z c 0 0 2 体系的相图，见f o oe ta 1 r e f u ”1 。2 2 1 1 5 ( a ) c 0 0 6 八面体，实心和空心的圆圈分别代表c o 离子和o 离子；( b ) 边共 享0 0 0 6 j k 面体示意图；( c ) c 0 0 2 层，c o 离子在二维平面上形成三角格子。2 3 v i i - 插图目录 1 1 6n a 离子在二维平面内有序分布的示意图：( a ) 、( b ) 、( c ) 分别对应不同的n a 浓 度x = 0 3 3 、0 5 0 、0 7 5 ，见z a n d b e r g e ne ta 1 r e f x o e ；( d ) 为d f t 计算得到的不 同有序结构的形成能，落在线上的点代表基态，所有与实验相符合的基态以箭头 示出，见z h a n ge ta 1 r e f 卜1 。2 4 1 1 7n a x c 0 0 2 的费米面：角分辨光电子谱实验观测到的结果，见y a n ge ta 1 r e f p ，其中( a ) 、( b ) 、( c ) 分别对应不同的n 排度z ，( d ) 为第一性原理计算得到的 结果，见s i n g hr e f ”1 。2 4 1 1 8n a x c 0 0 2 单晶( a ) 磁化率x ( 其中磁场h - - - 5 t ) j i 在a b 平面内) ，( b ) 电阻p ，对温度的 依赖关系；( c ) c 轴的晶格常数随x 的变化关系。见f o oea 1 r e f u 。2 5 1 - 1 9n a o 5 c 0 0 2 单晶的输运性质随温度的变化：其中( a ) 为a b 平面内( c 0 0 2 层所在 平面) 的电阻p a b ，( b ) 在不同方向上分别加磁场1 4 t 时电阻的变化率( p 口b ( 1 4 t ) 一 p a b ( o t ) ) p g b ( o t ) ，( c ) 在不同方向上分别加磁场1 t 时各向异性的磁化率。两条竖 直的虚线分别代表金属一绝缘体转变温度j t 和n e e l 温度珊。见g a s p a r o v i 6e t a l l r e f 【1 2 7 1 2 6 l - 2 0n a o 5 c 0 0 2 中c o 离子的自旋构型：其中( a ) 为g a s p a r o v i 6e ta 1 u ”1 由中子散射的 实验结果所得的构型p ”，( b ) 、( c ) 为y o k o ie ta 1 根据核磁共振和中子衍射的实 验数据得到的构型p 。2 7 二1 以( g a ，m n ) a s 为例，过渡金属杂质m n 原子替代g a a s 中的g a 原子的示意 图( 左图) ；i i i - v 族稀磁半导体的缺陷分子模型( 右图) ，a 为过渡金属杂质元 素( m n ，c r ) ，b 为第v 主族元素( n ，a s ) ，a 处于b 形成的四面体的中心位置。3 0 2 2 i i i - v 族稀磁半导体的缺陷分子模型对应的缺陷分子态n 挣”8 1 。3 l 2 - 3 在基态下，参与杂化的d 轨道与p 轨道上的磁矩m 1 ，m 2 及p 电子的极化率p 随杂化 强度v 钿的变化关系。( a ) ( g a ，m n ) a s ，j 一0 9 5e v ，点1 d 一1 2e v ；( b ) ( g a ，m n ) n ， 玩一1 8e v ，e d = 0 5e v 。其它的参数如下：v d = 4 0e v ，砜= 0 3 5e v ，j h = i 0 ( i 、，。3 4 2 4 在基态下，参与杂化的d 轨道与p 轨道上的磁矩m l ，m 2 及p 电子的极化率p 随杂质 能级e d 的变化关系。( a ) ( g a ，m n ) a s ，上一0 9 5e v ；( b ) ( g a ，m n ) n ，五乙一1 8e v 。 其它的参数如下：= 1 0 e v ，u d = 4 0e v ，巩= 0 3 5e v ，j h = i 0e v 。3 5 2 - 5 计及p 轨道的简并，在基态时参与杂化的d 轨道与任一个p 轨道上的磁矩m l ， m 2 及p 电子的极化率p 随杂化强度d 的变化关系。插图为m n 杂质3 d 轨道上的 电子占据数礼d 对p 、d 杂化强度的依赖关系。( a ) ( g a ，m n ) a s ，玩一0 9 5e v ，e d = 1 2e v ；( b ) ( g a ，m n ) n ，日= 一1 8e v ，玩一0 5e v 。其它的参数如下：v d = 4 0e v ， 巩= o 3 5e v ，j h = i 0e v 。3 7 2 6 计及p 轨道的简并，在基态时参与杂化的d 轨道与任一个p 轨道上的磁矩m 1 ， m 2 及p 电子的极化率p 随杂质能级玩的变化关系。插图为m n 杂质3 d 轨道上的 电子占据数佗d 对杂质能级的依赖关系。( a ) ( g a ，m n ) a s ，玩一0 9 5e v ；( b ) ( g a ， m n ) n ，日一1 8e v 。其它的参数如下：= 1 0 e v ，v d = 4 0e v ，巩= 0 3 5e v ， j h = i 0e v 。：；8 v i i i - 插图目录 参7 单个m n - a s ( n ) a 区 簇在玩，日参数空间的磁相图，- - - - 0 8e v 。插 图：，玩参数空间的磁相图，e d = 一0 5e v 。其它的参数如下：v d = 4 0e v ， 巩= 0 3 5e v ，j h = 1 0e v 。3 8 2 8 i i i - v 族稀磁半导体0 0 ( 1 l o ) 平面_ j ：m n 受主杂质各向异性的空间电荷分布等高线 图，a = 0 8 。3 9 3 1 m n - m n 自旋之间铁磁耦合与反铁磁耦合两种情况下所对应的两个m n - a s ( n ) 4 团 簇的基态能量差对载流子的跳跃积分强度的依赖关系。( a ) ( g a ，m n ) a s ，玩一 0 9 5e v ，e d 一1 2e v ；( b ) ( g a ，m n ) n ，上一1 8e v ，e d = 一0 5e v 。其它的参数如 下：= 1 0 e v ，玩= 4 0e v ，巩= o 3 5e v ，如= 1 0e v 。4 5 3 - 2 在基态下，两个m n - a s ( n ) 4 团簇中参与杂化的d 、p 轨道的磁 矩m d l 、m d 2 、i 1 、m p 2 和p 电子的极化率p l 、p 2 随载流子的跳跃积分强 度的变化关系，上、中、下三图分别对应n = 3 ，n = 4 ，n = 5 。( a ) ( g a ，m n ) a s ， e v 一0 9 5e v ，e d = 1 2e v ；( b ) ( g a ，m n ) n ，玩一1 8e v ，e d = 一0 5e v 。其它的参 数如下：d = 1 0 e v ，u d = 4 0e v ，砜= 0 3 5e v ，j n = 1 0e v 。4 6 3 - 3 m n - m n 自旋之间通过( a ) 半填充的p 轨道所建立的反平行即反铁磁型耦合，( b ) 偏 离半填充的p 轨道建立的平行即铁磁耦合的示意图，其中研、代表两个局 域自旋，d 1 、d 2 为参与杂化的d 电子，并分别与研、通过h u n d 耦合相互作 用，p 1 、p 2 为中间两个p 轨道上的电子，比较短的箭头表示该自旋方向的电子占 据数小于1 。4 7 譬4 以m n - m n 自旋间反平行构型的基态能为能量原点，两个m n a s ( n ) 4 团簇的磁 相互作用能随m n - m n 自旋间夹角p 的变化关系。( a ) ( g a ，m n ) a s ，v h 0 0 1 5 e v ； ( b ) ( g a ，m n ) n ，0 1 8 6e v 。其它的参数与图3 - 1 中相同。虚线为拟合的曲线。4 8 3 - 5 m n - m n 自旋之间通过中间的p 轨道所建立的双交换型铁磁相互作用的示意图。4 9 垂1 八面体晶场下的c o 离子3 d 态的能级劈裂及在畸变后形成的三角晶场下进一步的 能级劈裂示意图。5 5 4 - 2 x = l 3 时，每个格点上双占、单占、空态的几率随在位库仑作用u ( 左图) 及格点 问库仑作用v ( 右图) 的变化情况。其中跳跃积分亡一0 1 2e v 。5 9 垂3 不同在位库仑作用和格点间库仑作用下的能谱( 色散关系) ：左图x = l 3 ，右 图x - - - - l 2 。其中跳跃积分拄0 1 2e v 。5 9 垂4 能带窄化因子对在位库仑作用u ( 左图) 和格点间库仑作用v ( 右图) 的依赖关系。其 中跳跃积分t 一0 1 2e v 。6 0 4 - 5 电荷密度波和自旋密度波的基态示意图m 卅，u 代表格点内不同自旋的电子间的 在位库仑作用，v 代表最近邻格点电子之间的库仑排斥作用。6 1 垂6 在不同的掺杂浓度下，体系分离成两相n a z c 0 0 2 和n a l c 0 0 2 后的能量与均匀相 的能量差对n a 离子浓度z 的依赖关系。其中跳跃积分t 一0 1 2e v ，在位库仑作 用u = 3 0e v ，格点问库仑作用v = 0 1e v 。6 2 一i x 插图目录 4 - 7n a o s c 0 0 2 中c o 离子的电荷序和自旋序构型的示意图( 左) ：空心圆圈代 表c o ( 1 ) 格点，它具有平行于c o - 维平面的自旋，实心圆圈代表无局域磁矩 的c o ( 2 ) 格点；图中左下角红线( 粗实线) 标出的是具有电荷和自旋序结构的超原 胞。右图为超原胞所对应的第一布里渊区。6 3 4 - 8n a o 5 c 0 0 2 中有序相与均匀顺磁相能量差随在位库仑作用u 的变化；插图：能量差 随格点间库仑作用v 的变化。其中跳跃积分仁一0 1 2e v 。6 6 4 - 9 n a o 5 c 0 0 2 基态电荷序和自旋序的序参量对在位库仑作用u ( 左图) 和格点间库仑 作用v ( 右图) 的依赖关系。其中跳跃积分扫0 1 2e v 。6 7 4 - 1 0n a o 5 c 0 0 2 的态密度( 左图) 和色散关系( 右图) 曲线对在位库仑作用u 或格点问库 仑作用v 的依赖关系，一卜图对应v = 0 1e v ，中图对应u = i 0e v ，下图对应u = 3 0 e v 。6 9 x - 声明 声明尸明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文 中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享 有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产 权归属于培养单位。 本人签轧勋盼吼嘲_ 旦磊 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 众所周知，建立在单电子基础上的能带理论认为价电子在晶体中的运动 是彼此独立的，因此电子之间的关联作用也被低估了。实际上在过渡金属化 合物中，电子从原子的一个局域轨道运动到另一个原子的局域轨道上，必须 要考虑后一个轨道是否被其它电子所占据，如果已经被占据，则应当记入在 同一个轨道上不同自旋的电子之间的库仑作用，这一作用将使能带发生明显 的变化，即形成所谓的窄能带。在该类化合物中，3 d 电子之间的库仑作用能 大于其能带宽度，能带理论预测有些化合物为金属，但是实验上却发现它们 为绝缘体，例女n n i o 、m n o 、l a m n 0 3 及l a , 2 c u 0 4 等，我们称这类物质为莫特绝缘 体( m o t ti n s u l a t o r ) 1 。m o t t 绝缘体经过掺杂不同阳离子后，单位体积内的价电 子数目随着改变，当然也可能伴随物理性质剧烈的变化，例如高温超导p 1 、金 属一绝缘相变卜1 及庞磁电阻( c o l o s s a lm a g n e t o r e s i s t a n c e ) 等效应的产生。强关联电子 材料( s t r o n g l yc o r r e l a t e de l e c t r o n s ) 就是指这类含有窄能带的过渡金属化合物材料， 例如高温超导材料州、巨磁或庞磁电阻材料r 叫、有机导体p 1 和有机超导体p 1 、 以及一些新型的强关联电子材料等。 过渡金属化合物复杂和丰富的物理性质，追根溯源均来自于在晶体结构中 的电子具有电荷( c h a r g e ) 、自旋( s p i n ) 以及轨道( o r b i t a l ) - - 种属性，而且它们彼此 紧密地互相关联，并与晶体结构相结合，使得过渡金属化合物具有丰富的物 理现象，探讨这类材料中电子的电荷( 电子态) 、自旋( 磁性) 及轨道特性是研究 强关联电子系统物理性质的重要途径之一。而电子与电子之间的在位库仑作 用、洪特定贝3 j ( h u n dr u l e ) 型的交换作用( e x c h a n g ei n t e r a c t i o n ) 以及局域自旋之间 的间接交换作用的存在使得这些材料的磁矩呈现有规律的排列，如铁磁与反铁 磁结构。例如，具有高温超导电性的铜氧化物母体是反铁磁性绝缘体；锰氧化 物l a l - x c a x m n 0 3 的超大巨磁电阻效应发生在z = 0 3 附近，此时体系具有双交换 作用形成的铁磁金属基态卜训；v 2 0 3 具有反铁磁绝缘基态u 。这些特殊的磁有序 结构会对材料的输运性质产生很重要的影响，因此，研究强关联电子材料的电子 态、磁有序构型以及其物理机理已经成为当代凝聚态物理的前沿课题。 在本章中首先回顾和总结有关磁性的一些理论知识，接着介绍我们所关注 的两类新型的强关联电子材料一即稀磁半导体材料( d i l u t e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c - t o r s ，d m s ) 和n a z c 0 0 2 体系一的主要物理性质及与电子态和磁性相关的研究现状 博士论文( 王维华) 第1 页，共9 7 页 w e i h u a _ w a n 9 2 0 0 2 1 6 3 c o r n 新型强关联电子材料电子态和磁性研究 和最新进展。在最后一部分中引出了我们所要研究的问题及其科学意义。 1 2 有关磁性的预备知识 1 2 1 固体的磁性 磁性是固体材料的基本属性之一。固体中的磁性笼统地可以分为电子磁性 和原子核磁性u 乩1 6 1 。由于电子磁性较原子核磁性大得多，所以在一般固体材料的 磁性问题研究中，可以忽略原子核的磁性，只需考虑电子的磁性。电子的磁性是 由电子运动产生的，电子的运动分为自旋运动和轨道运动，即电子在沿着特定的 轨道运动的同时还要做自旋运动。在不同的材料中轨道运动对磁矩的贡献不同： 在过渡金属( 铁族元素) 化合物中，由于3 d 电子完全裸露在晶体场下，所受的晶场 作用很强，轨道角动量会部分或者全部“冻结”或者说“猝灭 ，因此轨道运动 的贡献较小，电子产生的磁矩主要来源于自旋；但在含稀土元素的化合物中，由 于5 s 、5 p 电子的屏蔽作用，4 f 电子所受的晶场作用较弱，几乎不会造成轨道角动 量的“冻结 ，所以对于此类化合物，必须考虑轨道运动的影响。 材料的磁性根据磁化率的符号、大小以及磁化率随温度磁场的变化关系来 划分，主要包括七种类型，即抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性、 螺旋型磁性及散磁性。如果材料中轨道角动量贡献很小并且所有元素的电子都 配对参与成键，即电子都是两两成对，电子产生的磁性互相抵消，对外不显磁 性，相应的材料在外加磁场不为零时，磁化强度与磁场反向，即显示抗磁性， 抗磁磁化率很小，大约在一1 0 一1 0 _ 6 量级( 超导态时磁化率大大增加，可达到1 ， 且p m e i s s n e r 效应) 。如果材料中的原子包含有未成对的电子，则每个原子形成一 个磁矩，在外磁场为零时，由于热运动的作用，这些原子磁矩之间无相互关联或 者关联很弱，它们随机地排列且不断地做着杂乱无章的运动，磁性互相抵消； 在外磁场作用下，原子磁矩有