反铁磁体半金属材料的研究进展(2)
2 简介
反铁磁半金属是最瞩目的自旋电子学材料，致力于寻找这一类材料的学者通过理论计算和实验研究来验证某种或某类材料是不是反铁磁半金属材料。我们需要对这一类材料的性质和特点有一些了解以及了解寻找这类材料的理论计算方法。
2.1 材料
2.1.1 半金属及半金属材料
半金属，又名准金属、似金属、半金属或亚金属。这类材料具有特殊的电子结构，其传导电子的自旋方向在费米面附近为零，极化率为100%。[1]在能带结构中，其禁带宽度为零或很小，在低温时，电子能从价带激发到导带，就使得价带和导带中同时存在运动的电子和空穴。半金属材料一般是两种及以上元素的化合物，但也包括硅、硼等半导体元素。
半金属材料的分类有很多种方法。根据材料结构的不同，分为尖晶石结构型半金属材料，比如CuV2S4；钙钛矿结构型型半金属材料，如La0.7Sa0.3MnO3；金红石结构型半金属材料，如CrS2；Half-Heusler和Heuser结构型半金属材料，如PtMnSb。[1][2][3]根据材料不同的磁性，分为铁磁性半金属，如CrO2；亚铁磁性半金属，如Fe3O4；反铁磁性半金属，如LaVMnO6[4][5]。另外，根据其来源可以分为共价键间隙半金属，如CrO2[6]；电荷能带传输半金属，如双钙钛矿结构材料[7]；d-d能带相互作用半金属，如MnVAl[8][9]。
由于半金属及半金属材料的电导率随温度升高而降低，使得半金属在冶金、电器、红外探测等方面有巨大应用。
2.1.2 反铁磁
最初由超交换作用发现的一类磁性金属离子3d轨道态的电子数达到或超过半满，由它构成的离子型化合物应具有反铁磁性[3],再后来的研究中给出更准确的定义。有一类物质，当温度达到某个临界值TN以上时，磁化率与温度的关系与正常的顺铁磁物质相似，服从居里-外斯定律，但温度小于TN时，磁化率降低并趋于一个定值，具有这个性质的一类材料称为反铁磁材料[2]，反铁磁材料是由原子或离子磁矩的反平行排列形成的。其中临界温度TN有奈尔发现，并被命名为奈尔温度。
电子磁矩在同一子晶格中同向排列，在不同子晶格中反向排列，奈尔温度的存在是由于在奈尔温度附近时相邻磁矩相反，相互抵消，晶体总磁矩几乎为零。
与反铁磁体相对应，磁性材料还有抗磁体、顺磁体、铁磁体和亚铁磁体。
2.2 研究方法
2.2.1 理论方法
寻找这一类材料一般都是提出或设想一种材料，然后进行理论计算以及实验验证。其中，理论计算主要有以下几种原理。
第一性原理：量子力学建立以后，同样按照统计物理原理，位置的微观状态确定了，体系的宏观性质都确定了。和经典物理的差别在于，体系的微观状态如何表述呢？经典物理中，体系微观状态用粒子的位置和动量就能表述，然而量子力学的框架里表述方式变了。因为量子力学中，粒子的位置和动量不能同时测准。解决这个问题的方法是用波函数表示，波函数的平方代表粒子出现的几率，这就是波函数的统计诠释，这是波恩最先做出来的。那么我们又如何获得波函数呢？这就要通过求解体系的薛定谔方程来确定了。然而，薛定谔方程的求解极其困难，除了氢原子等少数体系之外，都难以求得确定的解析解。此后，为了应用量子力学原理，Hartree和Fock提出了自洽场方法，也就是SCF方法，即Self Consistant Field，在这里的场其实是一个平均场，也即是说把粒子所在的势场用一个平均势场来替代，同时在这里面包含一个单电子近似。一般，把基于Hartree-Fock自洽场的方法叫做第一性原理方法，这是第一性原理方法这个称号的第一个来源。第一性原理也叫从头算方法，之所以叫从头计算简单来说就是不借助经验参数，而仅仅根据量子力学原理的七个物理常数：光速，普朗克常数，原子精细结构常数，电子质量，电子电量，原子核质量，原子核电量，即可算出材料在基态下的几乎一切性质，因为也不依赖与实验，所以有量子力学发展起来的这一方法就被叫作从头算方法。