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摘要

本文利用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算研究了SrVO ₃/SrTiO ₃(111)超晶格的电子结构、电学和磁学性质. 研究结果表明, SrVO ₃/SrTiO ₃(111)超晶格可通过调节间隔层SrTiO ₃的厚度实现铁磁半金属-铁磁绝缘体的转变. SrVO ₃亚层之间可以通过厚度为2个原子层的SrTiO ₃间隔层发生层间耦合, 超晶格呈现铁磁半金属态; 当间隔层SrTiO ₃的厚度等于3个原子层时, 超晶格出现小的带隙(约0.28 eV); 当间隔层SrTiO ₃的厚度大于3个原子层时, 超晶格出现较大带隙, 呈现铁磁绝缘态. 进一步对SrVO ₃/SrTiO ₃界面附近由于Ti-V混合导致的缺陷界面进行研究发现, 界面附近的Ti-V混合对金属-绝缘体转变具有重要的影响: 与理想界面相比, Ti-V混合的缺陷界面更能抑制层间耦合, 诱导超晶格实现铁磁半金属-铁磁绝缘体的转变. 本研究结果为SrVO ₃/SrTiO ₃(111)超晶格通过调控间隔层SrTiO ₃层数实现铁磁半金属-铁磁绝缘体的转变提供了理论依据.

关键词:

Abstract

In this work, the first-principle calculations based on density functional theory (DFT) are employed to investigate the electronic and magnetic properties of SrVO ₃/SrTiO ₃(111) superlattices. The studies show that the transition from ferromagnetic half-metal to ferromagnetic insulator can be achieved by adjusting the thickness of the spacer-layer SrTiO ₃. The interlayer coupling between the SrVO ₃sublayers can occur across two unit-cell (uc) distance of SrTiO ₃, and the superlattice is ferromagnetic half-metal. When the SrTiO ₃sublayers are 3uc, a small band gap (about 0.28 eV) appears in the superlattice. When the SrTiO ₃sublayers are more than 3uc, the superlattice has a large band gap and exhibits ferromagnetic insulating state. Further studies show that the Ti-V mixed defects play an important role in realizing the transition of metal-insulator. Compared with the ideal interface, the Ti-V mixed interface can inhibit the interlayer coupling and induce the transition of ferromagnetic half-metal to ferromagnetic insulator. These results provide a theoretical basis for the transition of ferromagnetic half-metal to ferromagnetic insulator by adjusting the number of SrTiO ₃layers in SrVO ₃/SrTiO ₃(111) superlattices.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:杜颜伶,duyanling@sdutcm.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金 (批准号: 82174528)、山东管理学院博士科研启动基金(批准号: SDMUD201901)和山东管理学院科研启航计划(批准号: QH2020Z05)资助的课题.

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Du Yan-Ling,duyanling@sdutcm.edu.cn

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 82174528), the Start-up Fund for Doctoral Research of Shandong Management University, China (Grant No. SDMUD201901), and the Scientific Research Start-up Project of Shandong Management University, China (Grant No. QH2020Z05).

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施引文献

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m/n	4/2	4/5	5/1	5/4	6/3	6/6
面内晶格常数/Å	5.50	5.57	5.48	5.57	5.56	5.57

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m/n	5/1	4/2	6/3	5/4	4/5	6/6
M_v₁/μ_B	1.13	1.01	1.00	1.00	1.00	1.01
M_v₂/μ_B	1.18	1.20	1.02	1.02	1.01	1.00
M_v₃/μ_B	1.04	1.20	1.00	1.02	1.01	1.02
M_v₄/μ_B	1.04	1.01	1.02	1.00	1.00	1.01
M_v₅/μ_B	1.18		1.00	1.00		1.01
M_v₆/μ_B			1.00			1.01
M__Vtotal/μ_B	5.57	4.42	6.04	5.04	4.02	6.06
M__O/μ_B	–0.93	–0.74	–0.32	–0.28	–0.23	–0.34
M__Total/μ_B	5.0	4.0	6.0	5.0	4.0	6.0

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	Band gap of spin-up states/eV
m/n	5/1	4/2	6/3	5/4	4/5	6/6
Ideal interfaces	0	0	0.28	0.51	1.00	0.48
Defect interfaces	0	0.69	0.56	0.74	1.03	0.77

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