Ab initio study of the β-Fe₂O₃ phase

我们报道了关于铁(III)氧化物（Fe₂O₃）立方晶体β相电子与磁性质的第一性原理计算结果。由于该高对称晶体结构中所有Fe-Fe磁耦合预计为抗磁性，系统可能表现出磁性扰动的迹象，这使得确定其磁基态具有挑战性。我们分析了β相的可能磁相，其中包括铁磁性、次磁性和Kramers抗磁性。虽然α相为次磁性，γ相为铁磁性，但我们得出结论，Fe₂O₃ bulk β相的磁基态为Kramers抗磁性，而且发现与之在能量上紧密相关的bulk d波次磁相。我们报告了态密度和电子关联函数下能隙的演化情况，对于合适的库仑排斥力，系统为电荷转移绝缘体，间接带隙为1.5 eV。与γ相不同，同类第一邻居之间的磁配置始终为抗磁性，而Fe_a与Fe_b之间的磁配置为铁磁或抗磁。这种磁构型下，第一邻居相互作用在Neél温度的均场估计中相互抵消，仅次邻居磁交换贡献为主要因素，导致其Neél温度低于其他相。我们的工作为Fe₂O₃ β相的纳米颗粒和合金的Ab initio研究铺平了道路。