基于第一性原理和蒙特卡洛方法的A2BB′O6化合物磁性建模与居里温度调控机制研究

本文推荐：该研究通过第一性原理（DFT）和蒙特卡洛（MC）模拟，系统分析了A2BB′O6氧化物（A=碱土/过渡金属，B/B′=过渡金属）的磁交换相互作用与居里温度（TC）。研究发现，B-B′间一、二阶近邻作用以反铁磁（AFM）为主且随磁矩增大而增强，而三、四阶作用较弱但可能引发磁挫败。研究提出调控TC的关键策略：选择小尺寸A阳离子和大磁矩B/B′组合，最高TC达640 K（Be2FeOsO6），为多铁材料设计提供理论依据。

　　

1 INTRODUCTION

A₂BB′O₆化合物因其丰富的物理性质（金属-绝缘体转变、半金属性和多铁性）成为研究热点。其结构源于刚玉（Al₂O₃），常被类比为双钙钛矿，但实际对称性可能更低。A位通常为碱土金属（如Sr），B/B′位多采用3d/4d/5d过渡金属组合（如Fe-Os），这种设计可诱导新颖的磁电耦合效应。尤其Zn₂FeOsO₆展现出394 K的室温以上铁磁序，使其成为高密度信息存储的候选材料。

2 MODEL AND NUMERICAL SIMULATIONS

2.1 Model

采用菱面体R3c原胞（10原子）作为初始结构（图1A），六方晶胞（30原子）中标记了Fe-Os间四类近邻作用（图1B）。Wyckoff位置显示Zn/Fe/Os分别占据特定对称位点（表1）。

2.2 Ab initio calculations

基于VASP软件包进行自旋极化DFT计算，采用PAW势和R₂SCAN meta-GGA泛函，截断能600 eV。通过TB2J代码结合Wannier90投影获得各向同性交换参数J_ij（表2），涵盖四阶近邻作用：B-B′（1-2阶，AFM主导）和B-B/B′-B′（3-4阶，较弱）。

2.3 Monte Carlo simulations

构建Heisenberg模型，采用Metropolis算法在24×24×4超胞（13824自旋）中模拟。通过热容峰值确定T_C，磁挫败度f定量评估基态能量偏离理想值程度。

3 RESULTS AND DISCUSSION

3.1 Ab initio results

热力学稳定性分析（表3）显示所有化合物ΔE<0，其中Be₂FeOsO₆晶胞体积最小（92.072 ?³）。磁矩分析（表4）表明：

• •

  B-B′作用强度排序：Os（|J₁|=19.53 meV）> Re > Ru > Ir

• •

  B′-B′作用规律：Os/Ru为AFM，Re/Ir为FM

• •

  A位尺寸效应：Sr→Cd→Zn→Be使Fe-Os距离缩短，J₁/J₂增强（图2B）

3.2 Monte Carlo results

所有体系在低温下呈现亚铁磁序（图3）。关键发现：

1. 1.

   B′元素影响：Zn₂FeOsO₆的T_C（560 K）比Zn₂FeIrO₆高210 K（图4），源于Os的更大磁矩（-2.007 μ_B）

2. 2.

   B位替换：Co替代Fe使Zn₂BReO₆的T_C骤降230 K（图5）

3. 3.

   A位优化：Be₂FeOsO₆以640 K创T_C纪录（图6），归因于晶格收缩（α=52.66°）和低挫败（f=0.06）

4 CONCLUSION AND PERSPECTIVES

研究确立A₂BB′O₆材料设计双准则：

1. 1.

   最小化A离子半径（如Be²⁺）以增强B-B′耦合

2. 2.

   最大化B/B′磁矩（优选Fe-Os组合）

   该工作为开发室温多铁器件提供了明确的成分-结构-性能关系指导。