探索用于自旋电子学的Ru 4d氧化物Ba2XRuO6 (X = Y, Lu, Sc)：压力依赖的第一性原理研究

《Frontiers in Chemistry》：Exploring Ru 4d oxide Ba2XRuO6 (X = Y, Lu, Sc) for spintronics: pressure-dependent first-principles study

　　

近期在电磁与输运性质的精确控制以及电子器件微型化方面的进展，为实用量子计算的发展带来了新前景。双钙钛矿（double perovskites）因其结构稳定性、无毒性以及固有的自旋极化，在自旋电子学（spintronics）应用中受到特别关注。在本研究中，研究人员利用WIEN2k框架内的第一性原理计算，探索了Ru 4d电子对Ba₂XRuO₆ (X = Y, Lu, Sc)磁性质的影响。使用PBEsol-GGA计算得到的Ba₂XRuO₆ (X = Y, Lu, Sc)晶格常数与报道的实验值相当。计算得到的形成能（ΔH_f）分别为?2.88、?2.61和?2.43 eV（对应X = Y、Lu和Sc），证实了热力学稳定性。能带结构和态密度（density of states, DOS）分析显示，所有化合物均为铁磁性半导体（ferromagnetic semiconductors）。所有化合物均表现出铁磁性半导体行为，并且带隙在4 GPa以内的压力下随压力增加而增大。观察到的磁性源于杂化效应、晶体场相互作用和交换耦合。光学分析显示出强烈的可见光吸收，从300 K到800 K评估的输运参数凸显出显著的热电潜力。这些发现确立了Ba₂XRuO₆ (X = Y, Lu, Sc)作为自旋电子学和热电应用中有前景的候选材料。

自旋电子学利用电子的自旋属性实现信息存储与处理，有望突破传统半导体器件的能效和微型化限制。双钙钛矿氧化物（double perovskites）因结构稳定、无毒、固有自旋极化以及低晶格热导率等优点，成为自旋电子学和热电材料的研究热点。然而，对于Ba₂XRuO₆（X = Y, Lu, Sc）这类含Ru 4d电子的双钙钛矿体系，缺乏系统性的压力依赖性质研究。为此，研究人员采用第一性原理方法，系统考察了其结构、力学、电子、磁、光学及热电性质，旨在探索该类材料在自旋电子学和能量转换器件中的多功能应用潜力。

在技术方法上，研究人员基于密度泛函理论（DFT），使用WIEN2k代码中的全势线性化缀加平面波（FP-LAPW）方法。结构优化采用PBEsol广义梯度近似（GGA），电子结构计算采用Tran–Blaha修正Becke-Johnson（TB-mBJ）交换势，并显式包含自旋极化和自旋轨道耦合（SOC）效应。布里渊区（Brillouin zone）积分采用12×12×12 Monkhorst–Pack k点网格，输运计算采用20×20×20加密网格。输运系数由BoltzTraP代码在恒定弛豫时间近似下获得。所研究的三种双钙钛矿为Ba₂YRuO₆、Ba₂LuRuO₆和Ba₂ScRuO₆，压力设置为0、2、4 GPa。

**3.1 压力依赖的结构性质**
通过Birch–Murnaghan方程拟合能量-体积数据，得到Ba₂YRuO₆、Ba₂LuRuO₆和Ba₂ScRuO₆的晶格常数分别为8.31 ?、8.24 ?和8.11 ?，与实验值吻合。形成能ΔH_f均为负值（?2.88