進展|p電子誘導的鐵磁性和半金屬性(half-metallicity)

2020-12-14 中科院物理所

在一定溫度下，晶態材料中電子自旋之間的相互作用會誘導出鐵磁和反鐵磁等多種長程磁有序態，磁矩一般來自於原子3d/4f 殼層中的未成對電子，也可以來自於一些缺陷和p電子。p電子誘導的磁性很早就有報導，典型的例子是氧氣在低溫下所形成的固態氧，它表現出長程的反鐵磁性(TN=24 K)，這裡的磁矩來源於氧氣分子中未成對的π*(pxy)電子。近年來，人們發現在一些化合物中分子氧作為陰離子(O2-和O22-)，可以誘導出豐富的磁性，如AO2 (A=Na, K, Rb, Cs)中的反鐵磁相變和Rb4O6/Cs4O6的短程自旋玻璃。同時，分子氧在一些化合物中也可以作為陽離子(O2+)並誘導磁性，如O2PtF6的亞鐵磁性。對於長程鐵磁性，實驗上缺乏可靠的證據，雖在RbO1.72和KxBa1-xO2 (x=0.269)中觀察到了微弱的鐵磁信號，但都沒有表現出本徵的長程鐵磁序，目前對長程鐵磁序形成機理的認識仍然很有限。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心先進材料與結構分析實驗室A02組博士生鄧俊、郭建剛副研究員和陳小龍研究員分析了AO2 (A= K, Rb, Cs)中O2-二聚體的磁性相互作用規律，提出了改變化合物中層與層之間O2-二聚體的排布方式來調控磁性，從而誘導長程鐵磁序的學術思想，如圖1所示。利用第一性原理計算結合結構搜索的方法，他們篩選出了具有鐵磁性的三元半金屬(half-metal)化合物α-BaNaO4，空間群是P4/mmm，其中所有的O2二聚體朝著c方向，並且層與層之間的二聚體以頭對頭的方式排列，如圖2所示。分子動力學、形成能和聲子譜等分析證明它在500 K下是穩定的。電荷分析顯示，化合物中O2的平均價態為-1.5, 故未完全填滿的π*(pxy)軌道呈現磁矩。對可能的磁結構進行能量計算後，發現鐵磁態的能量最低，即它的基態是鐵磁態。對其電子結構計算表明，α-BaNaO4是具有4 eV自旋能隙的半金屬，如圖3所示。平均場理論估算其居裡溫度Tc為120 K。本工作首次預言了一個含O2二聚體的半金屬氧化物，正是這種獨特的排列方式實現了層與層之間分子磁矩的直接交換作用，最終誘導出長程鐵磁序。這些結果加深了對O2分子誘導鐵磁性機理的認識，為設計p電子誘導的磁性材料提供了新的思路，以上成果發表在J. Am. Chem. Soc. 142, 5234-5240 (2020)。同時，國內外已有的工作表明這類化合物還具有其它重要的物理性質，如壓力引起的電荷序、強的電子關聯、Mott相變等，值得進一步深入研究。

該研究組在前期的工作中，曾預測了含N2二聚體的半金屬化合物MN4 (M=Mn, Fe, Co)。它們具有高的居裡溫度(~103 K)和大的自旋帶隙(~5 eV，HSE06)，其中，大的自旋帶隙來源於N=N雙鍵中π*和π軌道之間較大的能量差。與α-BaNaO4不同的是，它的磁矩來源於過渡金屬而非N2二聚體。同時，N2二聚體還能和主族元素形成化合物SiN4，表現出與金屬Cu相比擬的電導率和熱導率。這些結果表明了N=N雙鍵也可以作為設計磁性、高熱導與高電導材料的結構基元，為探索功能材料提供了新的思路，相關成果發表於Phys. Rev. B 99, 184409 (2019)和Chin. Phys. Lett. 35, 087102 (2018)。

上述工作得到了科技部戰略性國際科技創新合作重點專項(2018YFE0202601)，國家自然科學基金委(51922105, 51532010, 51772322，91422303), 國家重點研發計劃(2016YFA0300600，2017YFA0304700), 中國科學院前沿科學重點項目(QYZDJ-SSW-SLH013)，北京市科學技術委員會(Z161100002116018)和中科院B類先導專項 (XDB07020100)等項目的支持。

BaNaO4

圖1. (a) 化合物α-BaNaO4中O2二聚體的軌道排布和電子佔據示意圖。(b) AO2(A=K, Rb, Cs)中O2二聚體排列方式以及間接交換示意圖。(c) 改變O2二聚體排列方式後的直接交換作用示意圖。

圖2. (a) 化合物α-BaNaO4的晶體結構。(b) 基於形成能構建的Ba-Na-O三元相圖。

圖3. α-BaNaO4中(a)自旋向上和(b)自旋向下的能帶結構，不同顏色代表不同軌道電子對能帶的貢獻。(c) α-BaNaO4中兩個自旋方向的分波態密度

編輯：GUOmazing

近期熱門文章Top10

↓ 點擊標題即可查看 ↓

1. 物理定律告訴你：表白可能巨虧，分手一定血賺

2. 震驚！昨天你們立起來的掃把，甚至真的驚動了 NASA

3. 酒精和 84 消毒液到底能不能一塊用？

4. 一次性醫用口罩是怎麼做出來的？如何消毒？

5. 數學好玩個球啊，這支豪門球隊用一群數理博士橫掃球場

6. 「測溫槍」到底是怎樣測出你的溫度的？

7. 等量 0 度水和 100 度水混合能得到 50 度水嗎？

8. 人類為什麼喜歡親吻？

9. 病毒從哪裡來？

10. 一見鍾情，到底靠不靠譜？

相關焦點

  • 國科大等提出新的拓撲量子物態——二維外爾半準金屬態
    最近，中國科學院大學教授蘇剛團隊與新加坡科技設計大學教授楊聲遠團隊合作回答了這一問題，他們首次提出了一種新的拓撲量子物態——「二維外爾半準金屬態（2D Weyl half-semimetal, WHS）」，這既是一種具有拓撲性質的二維外爾半金屬（Weyl semimetal），同時也是一種完全極化的鐵磁性半金屬（half-metal），其低能電子是自旋完全極化的外爾費米子（Weyl fermion）
  • 《國家科學評論》在線發表華理理學院一課題組重大研究進展
    同時，實驗證明，這些二維CaCl晶體具有室溫鐵磁性、金屬性、類壓電性，可形成石墨烯–CaCl異質結，且具備顯著的儲氫和釋氫能力。由於其他金屬離子（如Mg2+、Fe2+、Co2+、Cu2+、Cd2+、Cr2+和Pb2+）與石墨表面也存在強的陽離子-π相互作用，初步研究也表明，其他金屬陽離子也會形成類似的異常價態晶體。二維CaCl晶體結構和CaCl@rGO薄膜的室溫(300K)磁滯回線此類二維CaCl晶體表現出金屬性，也顯示出明顯的類壓電性質。
  • 進展|拓撲半金屬WC表面沉積金屬薄膜誘導的界面超導
    長期以來，拓撲超導體因其在Majorana 費米子的研究和拓撲量子器件上的潛在應用受到了廣泛的關注。然而，本徵的拓撲超導材料非常罕見。近年來，理論和實驗研究表明：除本徵的拓撲超導材料之外，利用拓撲絕緣體和拓撲半金屬材料拓撲非平庸的能帶結構為實現拓撲超導電性提供了可能的途徑。多數研究組採用摻雜、高壓或通過近鄰效應等在拓撲絕緣體和拓撲半金屬中誘導出可能的拓撲超導。
  • 進展|時間反演對稱破缺-磁性Weyl半金屬實驗實現
    能帶計算表明，體系具有單自旋半金屬（half metal）特徵，且在自旋向上的能帶中存在能帶反轉和線性交叉，具有存在外爾費米子的重要條件（圖2）。單晶電輸運測量表明，Co3Sn2S2具有非飽和正磁電阻和低載流子濃度（~1019cm-3），且電子和空穴的濃度相當，屬於補償型半金屬。實驗觀察到了巨大的反常霍爾電導（1130 S/cm）和反常霍爾角（20%），遠超常規的反常霍爾效應材料。
  • 一種在CO2誘導下發生順磁鐵磁轉變的金屬有機框架化合物
    一種在CO2誘導下發生順磁鐵磁轉變的金屬有機框架化合物 作者：小柯機器人 發布時間：2020/12/1 15:23:56 日本東北大學宮坂等（Hitoshi Miyasaka）研究團隊發現了一種能通過改變順磁
  • 進展|磁性外爾半金屬Co3Sn2S2紅外光譜研究進展
    非磁性外爾半金屬TaAs家族材料的發現，使得研究具有手徵性的電子態——外爾點，及其導致的新物性、新現象成為可能，受到了廣泛的關注，開闢了拓撲半金屬研究新方向。因而，實現並研究外爾半金屬的另一半，磁性外爾半金屬，就顯得更為急迫和重要。
  • 通過長程鐵磁性活化MoS2單層中的單原子層超越單原子催化
    通過長程鐵磁性活化MoS2單層中的單原子層超越單原子催化 作者：小柯機器人 發布時間：2021/1/7 13:54:15 中國科學技術大學韋世強團隊開發了一種策略，通過長程鐵磁性活化MoS2單層中的單原子層超越單原子催化。
  • 界面超導體系與拓撲半金屬體系的表面電子-聲子相互作用研究獲進展
    該系統將一個帶有特殊設計電磁透鏡組的電子束單色器與商業化的二維半球形分析器結合，可以同時探測到散射電子能量和動量的信息。該譜儀可以對表面元激發進行高分辨、高效率的測量，能夠給出電子、晶格及其集體激發的綜合信息，是研究低維材料體系電子-聲子等多體相互作用的利器。
  • 金屬氫新進展:壓力高於350Gpa,高壓下的氫分子可以轉變為半金屬
    特別是與高溫超導態相關的金屬化條件一直是科學界爭論的焦點，而這一領域的進展與理論方法和實驗技術的進步密切相關。此前的報導中，有研究稱室溫條件下在260到270 GPa壓力下，實驗發現了金屬態氫的存在。然後此後不久的更多實驗，卻對該研究結果表示異議，他們認為氫分子只是轉變成了半金屬或過渡到另一種狀態。
  • 進展|紅外光譜研究磁性外爾半金屬中電子關聯導致平帶取得進展
    量子材料的電子關聯被認為對高溫超導和重費米子行為等奇異量子現象的出現具有重要的貢獻。量子材料中的拓撲保護可導致一系列新穎量子態，如外爾半金屬態和拓撲絕緣體態。探索量子材料中電子間關聯和拓撲保護兩者結合產生的效應是目前凝聚態物理廣受關注的領域之一。Co3Sn2S2是一種具有準二維Kagome型晶格的鐵磁體（其居裡溫度約為177 K，其晶體結構如圖(a)所示）。
  • 幻像之花:虛擬的鐵磁性 (I)
    為了表達方便，不妨將所有這些看起來源於「鐵磁性」的性質 / 效應用字符「M 」來表示。然而，有意思的是：基於對稱性破缺的框架，有許多非磁性體系或一些反鐵磁體系，當處於外場作用下時，竟然具備與鐵磁性相似的對稱操作，可能產生「非零M 」。
  • 首次觀察到:原生鐵電金屬!具有雙穩態和自發極化態
    首次觀察到：原生鐵電金屬！在2019年7月5日發表在《科學進展》上的研究中，澳大利亞科學家公布了對原生鐵電金屬的首次觀察：一種具有雙穩態和電可切換的自發極化狀態的原生金屬——鐵電特徵。研究發現，在室溫條件下，體晶雙碲化鎢(WTe2)中原生金屬豐度與鐵電性共存。
  • 中科院大連化物所金屬載體強相互作用研究取得新進展—新聞—科學網
    ，在金屬載體強相互作用研究方面取得新進展：首次發現鉑族金屬（Pt、Pd）與羥基磷灰石之間的金屬載體強相互作用。   1978年Tauster等發現二氧化鈦等可還原性載體負載的鉑族金屬在高溫還原後會失去對小分子（CO，H2）的吸附性能，並將該現象命名為金屬載體強相互作用（Strong Metal-Support Interaction, SMSI）。SMSI能夠改變金屬納米粒子的形貌和電子性質，因此可以改變反應活性與選擇性，對催化劑的催化性能具有重要影響。
  • 進展|反鐵磁金屬氮化鉻超薄膜的電子態相變研究
    當溫度低於10℃時，CrN的晶體結構從立方相轉變為斜方相，其磁基態也將從順磁性轉變為反鐵磁性，同時伴隨著電阻率突變。CrN這種天然的反鐵磁金屬性使其既沒有雜散場，也不易受外磁場幹擾，能夠用於製備超快、保密、高密度和低能耗磁存儲器件。然而，長久以來，製備高結晶質量和化學組分均一的氮化鉻單晶塊材和薄膜卻極具挑戰性。一方面，氮化鉻單晶的合成普遍需要超高溫和超高壓的極端環境。
  • 拓撲近藤半金屬
    迄今為止，拓撲半金屬大致可以分為狄拉克半金屬、外爾半金屬、節線半金屬和非常規簡併度的新型費米子半金屬等。狄拉克半金屬在其狄拉克點具有四重簡併度，其低能激發可以由狄拉克方程描述，在三個動量方向上都具有線性色散[8]。當時間反演對稱或者晶格的中心反演對稱被破壞時，每個簡併的狄拉克點將分裂成為兩個不同手性的外爾點，形成了外爾半金屬。
  • 為什麼磁鐵不能在某些不鏽鋼上工作,如何確定不鏽鋼的鐵磁性?
    奧氏體不鏽鋼中的金屬原子排列在面心立方（fcc）晶格上，面心立方fcc晶體的晶胞由一個立方體組成，每個立方體的八個角處都有一個原子，而在六個面的每個中心處都有一個原子。在鐵素體不鏽鋼中，金屬原子位於體心（bcc）晶格上。體心bcc晶體的晶胞是一個立方體，在八個角中的每個角處都有一個原子，在立方體的幾何中心處有一個原子。
  • 進展解讀丨 Weyl 半金屬的故事
    Nielsen 和 Ninomiya 進一步指出，在某類晶體中，如果無簡併的能帶在動量空間某處相交，而交點（外爾點）的能量又恰好在費米能級附近，那麼這類晶體中電子的低能運動就可以用外爾方程來描寫，也可以說在這類晶體中出現了具有某種「手性」的外爾費米子，相應的材料就被稱為是外爾半金屬。
  • 誘導聚集與協同配位策略構築金屬氧合團簇及其有機骨架
    由於這種材料同時結合了金屬氧合團簇的特性和孔隙特性, 使化學家們產生了濃厚的研究興趣.北京理工大學化學與化工學院楊國昱教授課題組詳細介紹了稀土氧合團簇有機骨架(lanthanide cluster organic frameworks, LnCOFs)的主要進展, 提出了誘導聚集成簇和協同配位策略.
  • 「半個小時」 不是 「half a hour」,趕緊改過來!
    「半個小時」不就是「half a hour」？還真不是！「半個小時」的英文表達:半個小時=half an hour＝a half hour例：I only slept about half an hour that night.