铁电金属材料是一种同时具备金属导电性和铁电性的材料。众所周知,根据库仑定律,晶体内部的静电场会被能自由移动的巡游电子所屏蔽,所以具备金属导电性的材料不可能同时具备铁电性。然而安德森和布伦特在1965年的一篇文章里提出:根据朗道相变理论,铁电相变是可以在金属性材料里出现的。在之后的半个世纪里,尽管有几种材料被认为可能具有铁电金属的特性,比如V3Si、Nb3Sn还有Cd2Re207,但最终它们都被实验证明不是铁电金属材料。一直到2013年,中科院的石友国团队在高压条件下合成了 LiOsO3(锇酸锂)单晶并对其结构和输运性质进行了测量,从实验上证明了 LiOsO3是铁电金属材料。一系列的实验研究表明:LiOsO3在140K的温度下会发生顺电相到铁电相的转变,且相变前后均具备金属导电性。这种奇特的金属铁电共存性质使LiOsO3在某些应用场景下具备独特的优势。尽管实验和理论上对LiOsO3的物理性质作了详尽的探究,然而仍然有个令人困惑的问题存在,那就是LiOs03的基态是否具有磁性。根据磁性理论,LiOsO3中的Os5+离子最外层轨道为半满占据的t2g轨道,所以Os5+应当具有3μB的磁矩。实验上表明锇系氧化物中绝大多数都具备磁性,比如NaOs03、Cd2Os2O7、Ba2YOsO7等,其中NaOsO3的构型和LiOsO3最为接近,为简单钙钛矿结构。然而和具备稳定的反铁磁基态的NaOsO3不同,LiOs03在实验上并没有表现出任何具有磁性的迹象。LiOsO3的磁化率测量和中子衍射数据表明在铁电相变过程中没有任何磁序出现。令人困惑的是,部分理论计算研究表明,LiOsO3的基态或许应该是和NaOsO3 一样的G型反铁磁结构,和实验现象不符。要想让LiOsO3的奇异金属铁电性质得到充分的应用,就必须先弄清楚LiOsO3的基态问题。本文的研究内容是用基于密度泛函理论的第一性原理计算方式探讨LiOsO3的物理性质,研究的主要结果如下:1.用LDA+U和LSDA+U两种方式计算分析LiOs03晶体中的电子关联和自旋轨道耦合对基态的影响,确定了体系的磁结构。计算表明,LiOsO3应当是个弱关联体系,其基态是非磁性的。LiOsO3中O的2p轨道和Os的5d轨道之间的有强烈的杂化作用,以及自旋轨道耦合对电子自旋磁矩也有削弱作用,从而使得LiOs03里Os5+的磁矩完全淬灭。2.用第一性计算方法研究对LiOsO3晶体施加双轴应变的影响,观察到在一定幅度下的拉应变可以使LiOs03产生Slater型金属绝缘体相变,从非磁性的金属态转变成具有反铁磁性的绝缘体。计算表明双轴拉应变可以扩大LiOs03晶体里的离子间距,使得Os5+最外层轨道上的三个电子更加局域化,从而使长程有序的磁结构变得稳定,形成G型反铁磁态。同时,自旋相互作用使得半满的t2g轨道劈裂成一个满带一个空带,使得体系由导电的金属态变成不导电的绝缘体。我们的研究为铁电金属材料的应用提供了新的思路。