$\text{BiFeO}_\text{3}$ 中半金属性的特征

$\text{BiFeO}_\text{3}$ 因其极具前景的多铁特性在过去几十年中引起了广泛关注。在基态下，体相 $\text{BiFeO}_\text{3}$ 处于菱方相。然而，目前已能够稳定具有四方结构的 $\text{BiFeO}_\text{3}$。四方相的重要性在于其具有大得多的电极化值，并且可能像菱方相一样稳定铁磁性。此外，据报道 $\text{BiFeO}_\text{3}$ 的四方结构具有不同的 $c/a$ 比，这开启了存在更丰富电子相的可能性。在本工作中，我们使用基于密度泛函理论的第一性原理方法，研究了四方 $\text{BiFeO}_\text{3}$ 结构的铁磁相随 $c/a$ 比的函数变化关系。我们发现，随着 $c/a$ 比从 $1.264$ 降至 $1.016$，四方 $\text{BiFeO}_\text{3}$ 从铁磁半导体演变为铁磁金属，并在此过程中经历一个半金属相。当结合每个结构的体积来考察时，这种电子性质的演变变得更加有趣。最稳定的半金属相最初反直觉地随着体积的减小演变为磁性半导体相，在体积进一步减小后最终变为金属。迄今为止，已知这种在压缩下发生的金属-绝缘体转变仅存在于碱金属（特别是锂）、重碱土金属以及某些二元化合物中。