立方钙钛矿RCoO3（R=Pr和Nd）的半金属特性研究：DFT视角下的电子结构与自旋极化调控

本研究采用基于密度泛函理论(DFT)的全势线性缀加平面波(FPLAPW)方法，系统探究了立方钙钛矿RCoO3(R=Pr/Nd)的结构稳定性、电子特性与磁学性能。通过GGA和mBJ-GGA两种交换关联泛函对比分析，首次揭示这两种化合物在mBJ-GGA下呈现0.40/0.37 eV半金属带隙和100%自旋极化率，其整数磁矩(2/3 μB)与弹性常数证实了材料作为自旋电子学候选材料的潜力，为新型半金属铁磁体的设计提供了理论依据。

　　

在自旋电子学器件研发的浪潮中，寻找具有100%自旋极化率的半金属铁磁材料成为学界焦点。这类材料独特的电子结构表现为一个自旋通道呈金属性，另一个自旋通道呈现半导体特性，能产生完全极化的自旋电流。钙钛矿氧化物因其可调控的电子态和丰富的物理性质备受关注，其中含稀土元素和过渡金属的RCoO₃体系更因其强关联电子特性成为研究热点。然而，关于立方相PrCoO₃和NdCoO₃的半金属特性及其微观机制仍缺乏系统研究，特别是稀土4f电子与钴3d电子间的相互作用对材料性能的影响亟待阐明。

印度Sonipat市Hindu Girls College物理系的研究团队通过第一性原理计算，对这两种立方钙钛矿进行了多尺度研究。采用WIEN2k软件包中的全势线性缀加平面波(FPLAPW)方法，结合WC-GGA和mBJ-GGA两种交换关联泛函，系统分析了材料的稳定性、电子结构和磁学特性。研究首先通过Birch-Murnaghan状态方程优化晶格参数，计算弹性常数和声子谱验证力学稳定性；随后利用mBJ-GGA势精确描述电子关联效应，解析能带结构和态密度；最后通过自旋极化计算揭示磁性起源。

结构分析显示两种化合物在立方相(Pm3m空间群)中保持稳定，负的形成能(-3.14/-3.18 eV)和正定的弹性常数满足Born-Haung判据。声子谱中无虚频证实动力学稳定性，各向异性因子(4.22/0.72)表明PrCoO₃呈明显各向异性而NdCoO₃接近各向同性。力学性能计算发现PrCoO₃具有较高体模量(215.54 GPa)和剪切模量(125.63 GPa)，Pugh比值(1.71/3.00)和泊松比(0.25/0.35)分别对应脆性和延展性特征。

电子结构研究获得突破性发现：mBJ-GGA计算下两种化合物均呈现典型半金属特征，自旋向上通道在费米面处存在显著态密度，而自旋向下通道出现明显带隙(1.87/1.95 eV)。通过分析半金属间隙(E_HM)，确定PrCoO₃和NdCoO₃分别具有0.40 eV和0.37 eV的带隙值。态密度分解显示稀土4f电子主导费米面附近的电子态，与钴3d轨道通过氧2p轨道发生双交换作用，这种特殊的杂化机制是产生半金属性的关键。

磁性研究揭示总磁矩主要来源于稀土原子(Pr:1.928 μ_B; Nd:2.943 μ_B)，钴和氧原子仅产生微弱诱导磁矩(<0.01 μ_B)。整数化的总磁矩(2/3 μ_B)进一步验证了半金属铁磁体的特性，符合Slater-Pauling定则。能带结构分析证实自旋向上通道的金属性来源于Pr/Nd 4f电子在Γ-X方向的能带交叉，而自旋向下通道的半导体特性则由Co 3d与O 2p的反键态分离导致。

该研究首次从理论上证实立方相RCoO₃体系的半金属铁磁特性，阐明了稀土4f电子在调控自旋极化中的核心作用。所得结果为设计新型自旋电子器件提供了材料基础，特别是mBJ-GGA预测的显著半金属间隙(>0.37 eV)意味着这些材料在室温下可能保持稳定的自旋极化率。弹性常数的系统计算还为材料实际应用中的机械加工提供了参数指导。未来研究可进一步探索应变调控和元素掺杂对材料性能的优化，推动其实验制备与器件集成。