磁性功能材料的磁晶各向异性能与物性分析

发布时间：2017-09-22 05:08

  本文关键词：磁性功能材料的磁晶各向异性能与物性分析

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【摘要】：高密度磁存储材料和超高磁致伸缩材料是两种应用非常广泛的磁性功能材料。磁晶各向异性能是衡量磁性记录材料和磁致伸缩材料性能的重要指标。信息技术的飞速发展导致人们需要处理和记录的信息呈现爆炸式增长,因此要求人们不断去探索和开发高密度的磁存储材料。传统磁存储材料的密度已经达到其瓶颈,利用单个原子来存储信息是未来磁存储材料发展的方向。实现原子尺度的信息存储,必须要寻找到合适的基底材料。衡量一个基底材料是否理想的一个重要标准是要能够使记录单元保持较大的垂直磁晶各向异性能。磁致伸缩材料作为一种新型的磁性功能材料,被广泛的应用于声纳系统、微位移驱动器、传感器、换能器等高新技术领域。通常来说,磁致伸缩材料除了要具有较大的磁致伸缩系数外,还要满足低磁场下饱和、居里温度高、力学性能优越、生产成本低等特点。以Terfeno-D为代表的稀土磁致伸缩材料由于其脆性大,成本高,驱动磁场大,应用受到了很大的限制。具有成本低廉、居里温度高、延展性优越、低场饱和等优点的Fe-Ga合金受到了广泛的关注。但是,相比于稀土磁致伸缩材料,Fe-Ga合金的磁致伸缩系数小了一个数量级。而且其具有大磁致伸缩系数的单晶生长成本较高,目前仅停留在实验室阶段。因此,我们仍然需要不断地去探索新的高磁致伸缩材料。而设计高磁致伸缩材料,核心是寻找具有较高磁性-弹性耦合的材料,也就是磁晶各向异性能对应变的响应要比较高。因此,精确的计算磁晶各向异性能,探索磁晶各向异性能的起源及其变化机制不仅有助于人们深入理解磁晶各向异性的物理本质,而且可以从理论上设计高密度磁存储材料和高磁致伸缩材料并最终指导实验。基于此,本论文从实际应用出发,结合转矩法和第一性原理软件包来研究磁性功能材料的磁晶各向异性能,主要研究内容如下:设计原子尺度的磁存储单元最重要的一点是要具有较大的磁晶各向异性能来克服热扰动。5d过渡金属原子由于其自旋轨道耦合较大,将其吸附到合适的基底上有望得到较大的磁晶各向异性能。基于密度泛函理论,我们首先研究了5d过渡金属原子(Ta,W,Re,Os和Ir)修饰g-C3N4的稳定性以及磁晶各向异性能。由于g-C3N4奇特的孔洞结构,我们发现所有的5d过渡金属原子与g-C3N4的结合能比与石墨烯的更大。利用转矩法,我们计算了磁晶各向异性能。其中,Ta,W,Ir三种原子吸附在g-C3N4上具有垂直的磁晶各向异性能。为了进一步提高磁晶各向异性能,利用刚性能带模型,我们提出通过引入电场来调节Ir@g-C3N4的磁晶各向异性能。我们发现,在电场的作用下,Ir原子的d轨道发生移动,这是导致磁晶各向异性能发生变化的主要原因。当外加1.0 V/?的电场时,可以将Ir@g-C3N4的磁晶各向异性能由12.4meV提高到56.9 meV。理想的基底材料是实现原子尺度的高密度磁存储的关键。利用密度泛函理论,我们探讨了石墨炔作为基于过渡金属原子的磁记录单元基底的可行性。由于石墨烯特殊的孔洞结构,Os原子可以紧密的吸附在石墨炔表面的孔洞位置。我们计算发现,Os@graphyne的磁晶各向异性能为18meV,方向平行于石墨炔平面,这是不利于磁存储的。为了调节其磁晶各向异性能,利用刚性能带模型的预测,我们提出通过非金属原子配位Os@graphyne改变Os原子d轨道的电子分布来调控其磁晶各向异性能。我们发现F原子配位Os@graphyne可以得到很大的磁晶各向异性能(47.7 meV),但是其方向平行于石墨炔平面。为了得到垂直磁晶各向异性能,我们考虑用过渡金属原子代替非金属原子配位。其中Os-Os@graphyne的磁晶各向异性能达到了34.5 meV,并且方向垂直于石墨炔平面。同时Os-Os@graphyne具有很高的稳定性。应变也是调控磁晶各向异性能的一种重要手段。为了研究应变对材料磁晶各向异性能的影响机制,我们利用全势线性缀加平面波方法研究了γ-Fe4N的磁致伸缩性能。计算发现γ-Fe4N的磁致伸缩系数为-143ppm。通过刚性能带理论,我们预测了MnFe3N相比γ-Fe4N的磁致伸缩系数会有很大的提高。实际计算得到MnFe3N的磁致伸缩系数为+373ppm。对于MnFe3N电子能带结构的细致分析表明磁致伸缩系数增大的原因是由于关键能带的移动。为了进一步提高磁致伸缩系数,我们利用4d、5d过渡金属掺杂γ-Fe4N。其中OsFe3N和IrFe3N的磁致伸缩系数分别达到了-564ppm和+416ppm。γ-Fe4C具有与γ-Fe4N相同的结构,因此我们研究了γ-Fe4C及其衍生物MFe3N(M=Pd,Pt,Rh,Ir)的稳定性,力学性能和磁致伸缩系数。所有体系的形成能都为正值,这表明这些化合物需要在高温或者高压条件下合成。通过计算结合能,我们发现过渡金属原子M更倾向于替代1a的铁原子。通过计算弹性常数我们发现所有的体系都具有很好延展性。γ-Fe4C的磁致伸缩系数为-380 ppm,这个值甚至大于Fe83Ga17(+207ppm)。由于Pt较大的自旋轨道耦合系数,PtFe3C(-691 ppm)的磁致伸缩系数较γ-Fe4C提高了80%。
【关键词】：磁记录 磁晶各向异性 磁致伸缩材料 铁合金 第一性原理计算 全势线性缀加波
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB34
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 磁性材料简介11-13
• 1.2 磁存储材料13-19
• 1.2.1 磁存储发展历史13-16
• 1.2.2 硬盘结构及磁记录原理16-18
• 1.2.3 磁存储遇到的困境18-19
• 1.3 磁致伸缩材料19-25
• 1.3.1 磁致伸缩效应20-23
• 1.3.2 磁致伸缩材料的发展23-25
• 1.3.3 设计新型磁致伸缩材料25
• 1.4 本论文的研究内容和意义25-27
• 第2章 理论计算方法27-44
• 2.1 密度泛函理论27-32
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn定理28-29
• 2.1.2 Kohn-Sham方程29-30
• 2.1.3 交换关联泛函30-32
• 2.2 第一性原理计算方法32-34
• 2.2.1 平面波（PW）方法32-33
• 2.2.2 赝势方法33-34
• 2.3 全势线性缀加平面波方法（FLAPW）34-39
• 2.3.1 缀加平面波（APW）方法34-35
• 2.3.2 线性缀加平面波（LAPW）方法35-36
• 2.3.3 全势线性缀加平面波（FLAPW）方法36-39
• 2.4 第一性原理自洽过程39-40
• 2.5 磁晶各向异性能的计算方法40-42
• 2.5.1 总能量方法40
• 2.5.2 本征值之和的方法40-41
• 2.5.3 转矩法（Torque method）41-42
• 2.6 磁致伸缩系数的计算方法42-43
• 2.7 应用程序简介43-44
• 第3章 过渡金属修饰g-C_3N_4的磁晶各向异性能与电场调控44-53
• 3.1 引言44-45
• 3.2 计算方法与模型45
• 3.3 磁晶各向异性能的二阶微扰展开45-46
• 3.4 过渡金属吸附的稳定性与磁矩46-48
• 3.5 磁晶各向异性能计算结果及分析48-50
• 3.6 磁晶各向异性能的电场调控50-52
• 3.7 本章总结52-53
• 第4章 基于石墨炔的高密度磁存储单元的性能分析53-63
• 4.1 引言53-54
• 4.2 计算模型与方法54
• 4.3 Os@graphyne的结构优化及吸附能计算54-55
• 4.4 Os@graphyne的磁晶各向异性能55-56
• 4.5 非金属原子配位调控Os@graphyne的磁晶各向异性能56-59
• 4.6 过渡金属原子配位调控Os@graphyne的磁晶各向异性能59-61
• 4.7 Os-Os@graphyne的结构稳定性61-62
• 4.8 本章总结62-63
• 第5章 γ-Fe_4N的磁致伸缩系数及掺杂调控63-70
• 5.1 引言63-64
• 5.2 计算方法与模型64
• 5.3 γ-Fe_4N的磁致伸缩系数及刚性能带模型64-65
• 5.4 磁致伸缩系数的机理分析65-68
• 5.5 4d、5d过渡金属元素衍生物的磁致伸缩系数68-69
• 5.6 本章总结69-70
• 第6章 γ-Fe4C及其衍生物磁致伸缩性质研究70-76
• 6.1 引言70
• 6.2 计算方法与模型70
• 6.3 结构稳定性研究70-72
• 6.4 磁矩及磁致伸缩性质的计算及分析72-75
• 6.5 本章总结75-76
• 第7章 总结和展望76-78
• 7.1 工作总结76-77
• 7.2 工作展望77-78
• 参考文献78-92
• 致谢92-94
• 附录：攻读博士学位期间发表的论文和奖励94-95

【共引文献】

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本文编号：898931