本文關(guān)鍵詞：磁性功能材料的磁晶各向異性能與物性分析

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【摘要】：高密度磁存儲(chǔ)材料和超高磁致伸縮材料是兩種應(yīng)用非常廣泛的磁性功能材料。磁晶各向異性能是衡量磁性記錄材料和磁致伸縮材料性能的重要指標(biāo)。信息技術(shù)的飛速發(fā)展導(dǎo)致人們需要處理和記錄的信息呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng),因此要求人們不斷去探索和開發(fā)高密度的磁存儲(chǔ)材料。傳統(tǒng)磁存儲(chǔ)材料的密度已經(jīng)達(dá)到其瓶頸,利用單個(gè)原子來(lái)存儲(chǔ)信息是未來(lái)磁存儲(chǔ)材料發(fā)展的方向。實(shí)現(xiàn)原子尺度的信息存儲(chǔ),必須要尋找到合適的基底材料。衡量一個(gè)基底材料是否理想的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是要能夠使記錄單元保持較大的垂直磁晶各向異性能。磁致伸縮材料作為一種新型的磁性功能材料,被廣泛的應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、微位移驅(qū)動(dòng)器、傳感器、換能器等高新技術(shù)領(lǐng)域。通常來(lái)說(shuō),磁致伸縮材料除了要具有較大的磁致伸縮系數(shù)外,還要滿足低磁場(chǎng)下飽和、居里溫度高、力學(xué)性能優(yōu)越、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。以Terfeno-D為代表的稀土磁致伸縮材料由于其脆性大,成本高,驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)大,應(yīng)用受到了很大的限制。具有成本低廉、居里溫度高、延展性優(yōu)越、低場(chǎng)飽和等優(yōu)點(diǎn)的Fe-Ga合金受到了廣泛的關(guān)注。但是,相比于稀土磁致伸縮材料,Fe-Ga合金的磁致伸縮系數(shù)小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。而且其具有大磁致伸縮系數(shù)的單晶生長(zhǎng)成本較高,目前僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段。因此,我們?nèi)匀恍枰粩嗟厝ヌ剿餍碌母叽胖律炜s材料。而設(shè)計(jì)高磁致伸縮材料,核心是尋找具有較高磁性-彈性耦合的材料,也就是磁晶各向異性能對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)要比較高。因此,精確的計(jì)算磁晶各向異性能,探索磁晶各向異性能的起源及其變化機(jī)制不僅有助于人們深入理解磁晶各向異性的物理本質(zhì),而且可以從理論上設(shè)計(jì)高密度磁存儲(chǔ)材料和高磁致伸縮材料并最終指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)�；诖�,本論文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),結(jié)合轉(zhuǎn)矩法和第一性原理軟件包來(lái)研究磁性功能材料的磁晶各向異性能,主要研究?jī)?nèi)容如下:設(shè)計(jì)原子尺度的磁存儲(chǔ)單元最重要的一點(diǎn)是要具有較大的磁晶各向異性能來(lái)克服熱擾動(dòng)。5d過(guò)渡金屬原子由于其自旋軌道耦合較大,將其吸附到合適的基底上有望得到較大的磁晶各向異性能�；诿芏确汉碚�,我們首先研究了5d過(guò)渡金屬原子(Ta,W,Re,Os和Ir)修飾g-C3N4的穩(wěn)定性以及磁晶各向異性能。由于g-C3N4奇特的孔洞結(jié)構(gòu),我們發(fā)現(xiàn)所有的5d過(guò)渡金屬原子與g-C3N4的結(jié)合能比與石墨烯的更大。利用轉(zhuǎn)矩法,我們計(jì)算了磁晶各向異性能。其中,Ta,W,Ir三種原子吸附在g-C3N4上具有垂直的磁晶各向異性能。為了進(jìn)一步提高磁晶各向異性能,利用剛性能帶模型,我們提出通過(guò)引入電場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)Ir@g-C3N4的磁晶各向異性能。我們發(fā)現(xiàn),在電場(chǎng)的作用下,Ir原子的d軌道發(fā)生移動(dòng),這是導(dǎo)致磁晶各向異性能發(fā)生變化的主要原因。當(dāng)外加1.0 V/?的電場(chǎng)時(shí),可以將Ir@g-C3N4的磁晶各向異性能由12.4meV提高到56.9 meV。理想的基底材料是實(shí)現(xiàn)原子尺度的高密度磁存儲(chǔ)的關(guān)鍵。利用密度泛函理論,我們探討了石墨炔作為基于過(guò)渡金屬原子的磁記錄單元基底的可行性。由于石墨烯特殊的孔洞結(jié)構(gòu),Os原子可以緊密的吸附在石墨炔表面的孔洞位置。我們計(jì)算發(fā)現(xiàn),Os@graphyne的磁晶各向異性能為18meV,方向平行于石墨炔平面,這是不利于磁存儲(chǔ)的。為了調(diào)節(jié)其磁晶各向異性能,利用剛性能帶模型的預(yù)測(cè),我們提出通過(guò)非金屬原子配位Os@graphyne改變Os原子d軌道的電子分布來(lái)調(diào)控其磁晶各向異性能。我們發(fā)現(xiàn)F原子配位Os@graphyne可以得到很大的磁晶各向異性能(47.7 meV),但是其方向平行于石墨炔平面。為了得到垂直磁晶各向異性能,我們考慮用過(guò)渡金屬原子代替非金屬原子配位。其中Os-Os@graphyne的磁晶各向異性能達(dá)到了34.5 meV,并且方向垂直于石墨炔平面。同時(shí)Os-Os@graphyne具有很高的穩(wěn)定性。應(yīng)變也是調(diào)控磁晶各向異性能的一種重要手段。為了研究應(yīng)變對(duì)材料磁晶各向異性能的影響機(jī)制,我們利用全勢(shì)線性綴加平面波方法研究了γ-Fe4N的磁致伸縮性能。計(jì)算發(fā)現(xiàn)γ-Fe4N的磁致伸縮系數(shù)為-143ppm。通過(guò)剛性能帶理論,我們預(yù)測(cè)了MnFe3N相比γ-Fe4N的磁致伸縮系數(shù)會(huì)有很大的提高。實(shí)際計(jì)算得到MnFe3N的磁致伸縮系數(shù)為+373ppm。對(duì)于MnFe3N電子能帶結(jié)構(gòu)的細(xì)致分析表明磁致伸縮系數(shù)增大的原因是由于關(guān)鍵能帶的移動(dòng)。為了進(jìn)一步提高磁致伸縮系數(shù),我們利用4d、5d過(guò)渡金屬摻雜γ-Fe4N。其中OsFe3N和IrFe3N的磁致伸縮系數(shù)分別達(dá)到了-564ppm和+416ppm。γ-Fe4C具有與γ-Fe4N相同的結(jié)構(gòu),因此我們研究了γ-Fe4C及其衍生物MFe3N(M=Pd,Pt,Rh,Ir)的穩(wěn)定性,力學(xué)性能和磁致伸縮系數(shù)。所有體系的形成能都為正值,這表明這些化合物需要在高溫或者高壓條件下合成。通過(guò)計(jì)算結(jié)合能,我們發(fā)現(xiàn)過(guò)渡金屬原子M更傾向于替代1a的鐵原子。通過(guò)計(jì)算彈性常數(shù)我們發(fā)現(xiàn)所有的體系都具有很好延展性。γ-Fe4C的磁致伸縮系數(shù)為-380 ppm,這個(gè)值甚至大于Fe83Ga17(+207ppm)。由于Pt較大的自旋軌道耦合系數(shù),PtFe3C(-691 ppm)的磁致伸縮系數(shù)較γ-Fe4C提高了80%。
【關(guān)鍵詞】：磁記錄 磁晶各向異性 磁致伸縮材料 鐵合金 第一性原理計(jì)算 全勢(shì)線性綴加波
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB34
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-27
• 1.1 磁性材料簡(jiǎn)介11-13
• 1.2 磁存儲(chǔ)材料13-19
• 1.2.1 磁存儲(chǔ)發(fā)展歷史13-16
• 1.2.2 硬盤結(jié)構(gòu)及磁記錄原理16-18
• 1.2.3 磁存儲(chǔ)遇到的困境18-19
• 1.3 磁致伸縮材料19-25
• 1.3.1 磁致伸縮效應(yīng)20-23
• 1.3.2 磁致伸縮材料的發(fā)展23-25
• 1.3.3 設(shè)計(jì)新型磁致伸縮材料25
• 1.4 本論文的研究?jī)?nèi)容和意義25-27
• 第2章 理論計(jì)算方法27-44
• 2.1 密度泛函理論27-32
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn定理28-29
• 2.1.2 Kohn-Sham方程29-30
• 2.1.3 交換關(guān)聯(lián)泛函30-32
• 2.2 第一性原理計(jì)算方法32-34
• 2.2.1 平面波（PW）方法32-33
• 2.2.2 贗勢(shì)方法33-34
• 2.3 全勢(shì)線性綴加平面波方法（FLAPW）34-39
• 2.3.1 綴加平面波（APW）方法34-35
• 2.3.2 線性綴加平面波（LAPW）方法35-36
• 2.3.3 全勢(shì)線性綴加平面波（FLAPW）方法36-39
• 2.4 第一性原理自洽過(guò)程39-40
• 2.5 磁晶各向異性能的計(jì)算方法40-42
• 2.5.1 總能量方法40
• 2.5.2 本征值之和的方法40-41
• 2.5.3 轉(zhuǎn)矩法（Torque method）41-42
• 2.6 磁致伸縮系數(shù)的計(jì)算方法42-43
• 2.7 應(yīng)用程序簡(jiǎn)介43-44
• 第3章 過(guò)渡金屬修飾g-C_3N_4的磁晶各向異性能與電場(chǎng)調(diào)控44-53
• 3.1 引言44-45
• 3.2 計(jì)算方法與模型45
• 3.3 磁晶各向異性能的二階微擾展開45-46
• 3.4 過(guò)渡金屬吸附的穩(wěn)定性與磁矩46-48
• 3.5 磁晶各向異性能計(jì)算結(jié)果及分析48-50
• 3.6 磁晶各向異性能的電場(chǎng)調(diào)控50-52
• 3.7 本章總結(jié)52-53
• 第4章 基于石墨炔的高密度磁存儲(chǔ)單元的性能分析53-63
• 4.1 引言53-54
• 4.2 計(jì)算模型與方法54
• 4.3 Os@graphyne的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及吸附能計(jì)算54-55
• 4.4 Os@graphyne的磁晶各向異性能55-56
• 4.5 非金屬原子配位調(diào)控Os@graphyne的磁晶各向異性能56-59
• 4.6 過(guò)渡金屬原子配位調(diào)控Os@graphyne的磁晶各向異性能59-61
• 4.7 Os-Os@graphyne的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性61-62
• 4.8 本章總結(jié)62-63
• 第5章 γ-Fe_4N的磁致伸縮系數(shù)及摻雜調(diào)控63-70
• 5.1 引言63-64
• 5.2 計(jì)算方法與模型64
• 5.3 γ-Fe_4N的磁致伸縮系數(shù)及剛性能帶模型64-65
• 5.4 磁致伸縮系數(shù)的機(jī)理分析65-68
• 5.5 4d、5d過(guò)渡金屬元素衍生物的磁致伸縮系數(shù)68-69
• 5.6 本章總結(jié)69-70
• 第6章 γ-Fe4C及其衍生物磁致伸縮性質(zhì)研究70-76
• 6.1 引言70
• 6.2 計(jì)算方法與模型70
• 6.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究70-72
• 6.4 磁矩及磁致伸縮性質(zhì)的計(jì)算及分析72-75
• 6.5 本章總結(jié)75-76
• 第7章 總結(jié)和展望76-78
• 7.1 工作總結(jié)76-77
• 7.2 工作展望77-78
• 參考文獻(xiàn)78-92
• 致謝92-94
• 附錄：攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文和獎(jiǎng)勵(lì)94-95

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：898931