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cos60

木虫 (著名写手)

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[交流] 【讨论】用VASP或CASTEP计算NiO能带是否合适？

请问用VASP或CASTEP计算NiO（氧化镍）能带是否合适？
我试着用CASTEP计算了NiO的能带，发现能带并没有被电子填满，应该是导体，可是，实验表明NiO的带隙为3.7eV的宽带隙半导体。请问各位虫虫，是不是Ni的3d电子没有填满造成的，又或类似MnO这样的强关联体系根本不适合用GGA或LDA方法来计算。谢谢发表您的看法。

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1楼2009-08-11 22:24:56

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wuchenwf

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yjr(金币+1,VIP+0):谢谢！！ 8-12 11:33

主要还是强关联作用，对于NiO采用+U的方法计算得到了相对来说较好的结果。

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2楼2009-08-11 22:58:17

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shqshq

木虫 (正式写手)

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yjr(金币+1,VIP+0):谢谢分享！！ 8-12 16:09
fegg7502(金币+2,VIP+0):thank you very much! 8-12 20:43

wuchenwf 说的强相互作用，了解但在这里我没搞清楚。特意在百度上查了下，颇有收获。（个人感觉

，跟我一样的小虫们可以看看哈）发上来共享哈
强关联电子体系

凝聚态理论的长足进展已经搞清楚了许多材料的物性问题，但是还存在一些疑难问题悬而未决，其中最突出的莫过于强关联电子体系的问题。所谓电子关联，就是意味着电子和电子之间存在库仑相互作用，这一点也不稀奇，传统的能带理论在处理固体中的电子系统时，首先是忽略了电子之间相互作用，将电子系统视为相互独立的理想气体，考虑单电子与晶体的周期结构之间的相互作用，从而得到了固体的能带结构，然后再引入电子间的相互作用加以修正。这样的理论处理显然适用于弱关联的电子体系,即高浓度的电子体系,其电子简并能大大超过了电子之间库仑相互作用的势能，也就是通常的宽能带物质的情况。能带理论的巨大成功往往掩盖了这一理论的不足之处，即它并不适用于强关联的电子体系，即电子浓度甚小的物质，标志电子之间库仑相互作用的关联能的重要性被突出出来了。这类材料往往具有很窄的能带，只比完全局域化的能级略宽一点。早在１９３７年，科学家就发现ＮｉＯ，ＭｎＯ，ＣｏＯ等氧化物并不是能带理论所预言的金属，而是能隙甚大的绝缘体，这一结果引起了固体理论学家的关注。Ｎ．Ｆ．Ｍｏｔｔ引进关联能来解释这一物理问题,认为ｄ电子间库仑相互作用抑制了极化涨落,产生了关联能隙。后来这一类绝缘体即被称为莫特绝缘体。莫特还进一步讨论了ＶＯ２，Ｖ２Ｏ３等材料因温度或压力改变所引起的绝缘体到金属的相变，认定它们也是电子关联导致的相变，后来被称为莫特转变。
　　莫特绝缘体为数不少，几乎占了３ｄ过渡金属二元氧化物中的一半，还有难以数计的多元复杂氧化物和４ｆ稀土化合物及５ｆ锕系化合物。
　　强关联物质往往处于金属与绝缘体的界限附近，即电子处于完全离域化的扩展态和完全局域化有能级之间。要判断电子是离域化还是局域化，就要看ｆ电子或ｄ电子波函数的分布范围是否和近邻产生重叠。研究表明，电子壳层体积以４ｆ为最小，５ｆ次之，其后乃是3d，4d与5d。这样，可以确认，电子态局域化程度的顺序大致为４ｆ＞５ｆ＞３ｄ＞４ｄ＞５ｄ；换言之,电子态形成的能带宽度按此顺序增加,而关联性则按此顺序递减。还可以看出，从左往右穿过周期表明，部分填充电子壳层的半径逐步降低，而关联性则逐步增强。利用以上规则，科学家画出了一张准周期表(见图)。表上画出了两根斜线,将线外划分为两个区域：一是左下角,离域化的能带效应占优势；另一是右上角，反过来，局域化和关联性占优势，在两条线的中间或近邻，是强关联（窄能带）的区域。在这区域内，材料常会出现反常的物理性质。显示稀土、锕系过渡金属的ｆ，ｄ轨道域化趋势的准周期表我们来分析一下准周期表和它的斜线区：具有强铁磁性的金属Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ都在斜线区域之内，它们的ｄ能带具有强关联性,它们的电子巡游相互作用是其铁磁性的根源;但由于窄的ｄ带和宽的ｓ带交叠，因而它们的导电性仍接近于正常金属，和斜线邻近的Ｍｎ和Ｃｒ，在低温下具有反铁磁性，而以Ｆｅ２Ｏ３为重要成分的铁氧体，如尖晶石型的ＮｉＦｅ２Ｏ４，石榴石型的Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１５（ＹＩＧ）,磁铅石型的ＢａＦｅ１２Ｏ１９和钙钛石型的ＹＦｅＯ３，都是具良好的绝缘性能的强磁性材料。它们通常是亚铁磁性，即磁矩不相互抵消的反铁磁序。其反铁磁序的根源在于磁性离子通过间隔的氧离子的超交换相互作用而实现的，而超交换相互作用也和强关联有关，如Ａｎｄｅｒｓｏｎ的超交换理论所指出。另一方面，强关联还可以导致由Ｃ．Ｚｅｎｅｒ提出的双交换作用,使某些复杂氧化物具有铁磁性和金属导电性,如Ｌａ１－ｘＣａｘＭｎＯ３(０．２＜ｘ＜０．４)即为一例。值得注意Ｍｎ，Ｌａ均在准周期表上为斜线区域的近邻。
　　我们再来看重电子金属。斜线区中或近邻的Ｃｅ，Ｕ，Ｎｐ等元素，成为这些合金的必要成分，它们的特征在于低温比热异常地大，从而可以推断其电子的有效质量ｍ＊与自由电子的质量ｍ之比值异常地高(ｍ＊／ｍ～100－1000),名副其实的是重电子，例如ＣｅＡｌ３的比值为600，CeCu６为７４０,ＣｅＣｕ２Ｓｉ为４６０，ＵＢｅ１３均大于100。如此重的电子应接近于局域态，但这些合金又均具有金属导电性,使人困惑不解。重电子合金中,ＣｅＣｕ２Ｓｉ２,Ube１３,ＵＰｔ３在低温具有超导电必但Ｔｃ不高，均小于1Ｋ。但其超导电性质，由于偏离常规，因而被科学家所注意研究，在常规超导体中，少量磁性杂质就可以破坏超导电必但在重电子超导体中，反铁磁关联可以和超导电性共存。看来它的电子配对机制与ＢＣＳ理论的有些不同，可能是由于电子间的直接相互作用。
　　如果说研究重电子合金的兴趣主要是由于理论上有意义那么，氧化物高温超导体的发现，就因其潜在的巨大实际意义而轰动全球。Ｌａ－Ｓｒ－Ｃｕ－Ｏ，Ｙ－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏ,Ｂｉ－Ｓｒ－Ｃａ－Ｃｕ－Ｏ，Ｔｌ－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏ,Ｈｇ－Ｂａ－Ｃａ－Ｃｕ－Ｏ等相继问世，Ｔｃ值已达到135Ｋ。在这些材料中，准二维的ＣｕＯ２平面起了关键性作用，以Ｌａ－Ｓｒ－Ｃｕ－Ｏ系的相图来看，在掺杂浓度ｘ为零的材料是反铁磁序的莫特绝缘体，随着ｘ的增大，发生了绝缘体到金属的转变。而在低温就具有超导电性，随着ｘ的增大，Ｔｃ达到一峰值之后，又逐渐下降，高温超导体的正常态的电子性质都十分异常，这也是强关联材料的一种特性。
　　值得注意的是，近年来在Ｌａ－Ｃａ－Ｍｎ－Ｏ系的材料中又发现了特巨（ｃｏｌｏｓｓａｌ）磁电阻效应，加上磁场后的电阻变化率ΔＲ/Ｒ值可达到１０３－１０６。这种材料的铁磁性的根源是双交换相互作用，而且磁性转变与绝缘体－金属转变相邻近。磁场在这类材料引起的电阻变化的量级达到１０６。显而易见，这种异常的物理性质将会得到技术上的应用。
　　应该指出，我们对于强关联电子体系的科学认识尚不完备，这方面科学的研究，不管是实验上还是理论上的都尚有待深入,从材料研究的角度来看,这些多元复杂结构的氧化物是尚未勘探清楚的新材料的"富矿区。"过去，像铁氧体这类适用于高频技术的磁性材料的开发实验早于超交换相互作用理论的提出，更不要说Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ具有强铁磁性是早已众所周知。在Ｊ．Ｇ．ｂｅｄｎｏｒｚ是Ｋ．Ａ．Ｍｕｌｌｅｒ发现氧化物超导体过程中，机遇起了重要的作用。随着对强关联体系物理学的较深入的了解，将会大大地促进这一领域中新材料的勘探和开发工作。

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3楼2009-08-12 15:07:22

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