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铥的硫属化合物的物理性质变化极为丰富:金属-半导体转变、价态波动、电阻率近藤效应、重费米子行为等等,这些性质的变化与4f电子的关联密切相关。材料在高压下会呈现不同的结构、电学性质以及磁结构等等,高压物理性质的研究已成为一个热门课题。碲化铥作为铥的硫属化合物的一员,因其在高压下离子价态和磁结构的变化,引起了研究人员的广泛关注。
本文利用基于密度泛函理论的投影缀加波赝势方法的VASP程序,计算了TmTe在不同压强下的磁学和电学性质。因TmTe含有4f电子,属于强关联体系且电子的自旋轨道耦合作用较强,故本文使用了GGA+U+SOC的计算方法。
首先本文利用Murnaghan状态方程拟合不同U值下晶格常数和能量关系得到零压下TmTe的晶格常数α、体弹性模量B0和体弹性模量对压强的一阶导数B0,并和实验数据比较,确定GGA+U+SOC方法中U值取为5.0eV。
其次,利用GGA+U+SOC方法计算了零压下TmTe的性质,发现零压下TmTe的稳定磁结构为第二类反铁磁结构,这主要是磁性Tm2+离子间通过Te2-离子产生超交换作用,使Tm2+离子间磁矩反平行排列。磁性铥离子磁矩的计算结果与实验值符合得较好。
最后,利用Murnaghan状态方程,得到压强和晶格常数的关系,分别计算了外加压强2.8GPa、5.4GPa和6.0GPa下TmTe的磁性和电子结构。外加压强2.8GPa、5.4GPa时TmTe的稳定磁结构为铁磁结构。Tm2+离子和Tm3+离子通过Te2-离子产生双交换相互作用,使得磁性离子磁矩平行排列且未配对的电子数减小,最终导致铁磁态铥离子的磁矩减小。在外加压强为6.0GPa时,TmTe的稳定磁结构变为第一类反铁磁结构。TmTe经历从零压下的第二类反铁磁到铁磁再到第一类反铁磁的磁有序变化,这是加压后超交换作用和双交换作用之间的竞争所致。