钒掺杂钇钛矿磁性及热力学特性模拟研究：基于海森堡模型的蒙特卡洛方法

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Magnetic and thermodynamic properties of vanadium-doped YTiO?: A Monte Carlo study using the Heisenberg model

本文采用经典蒙特卡洛模拟结合海森堡模型，系统研究了钒（V3+）掺杂对YTiO3磁性与热力学性质的影响。研究发现，掺杂不仅显著提升了居里温度（Tc），增强了铁磁关联，还因晶格无序导致热力学异常展宽，为理解钛酸盐中掺杂驱动的物性调控及功能应用（如磁热效应）提供了重要的理论框架。

　　

研究亮点与结果讨论翻译

研究亮点：

我们采用基于海森堡模型的经典蒙特卡洛模拟方法，深入探究了钒（V³⁺）离子部分替代YTiO₃中钛（Ti³⁺）的磁性与热力学行为。模拟考察了掺杂浓度α = 0.00、0.25、0.50和0.75的情况，并特别关注了α = 0.25时的两种不等价位点取代构型。模型涵盖了各项同性交换作用、Dzyaloshinskii–Moriya（DM）相互作用和对称各向异性，其参数均取自未掺杂YTiO₃的成熟理论描述。我们的研究表明，钒的掺杂能够显著增强铁磁关联，将居里温度从母体化合物的31 K提升至α = 0.75时的93 K，并由于引入的无序效应使热力学异常峰展宽。尽管全局行为主要受Ti-V键浓度支配，但局部对称性差异对子晶格磁化强度有适度影响。在居里温度之上仍持续存在的短程关联，在一种与熵相关的热力学量（即熵对温度的导数，TDE）随温度的变化中得到了体现，该计算在无外加磁场条件下进行。

结构模型：

氧化物钙钛矿YTiO₃以正交晶系结晶，空间群为Pbnm，具有显著的八面体倾斜和扭曲，破坏了立方对称性并稳定了Ti³⁺离子间的轨道有序。在该晶格中，每个Ti³⁺（3d¹, S_Ti= 1/2）离子占据TiO₆八面体中心，而Y³⁺离子填充A位，O^2-离子构成八面体骨架。Y³⁺和O^2-是非磁性的，使得Ti³⁺成为主要的磁性来源。

结果与讨论：

在本节中，我们将展示并讨论为YTiO₃及其钒掺杂衍生物获得的结果。我们分析了该体系在不同掺杂浓度α = 0.00、0.25、0.50和0.75下的有限温度磁性与热力学性质。

结论：

在本工作中，我们在无外加磁场条件下，利用海森堡模型框架下的经典蒙特卡洛模拟，研究了钒替代对铁磁性YTiO₃磁性与热力学性质的影响。通过系统分析从α = 0.00到0.75的掺杂浓度，包括α = 0.25时的两种不等价取代几何构型，我们全面揭示了局部和全局因素如何共同作用，塑造了掺杂体系的宏观物理响应。