MnGa合金体的电子结构与磁性质的研究

基于密度泛函理论方法系统研究了四方结构MnGa合金体的结构、形成、电子结构和磁性质。结果表明,四方MnGa合金晶胞的生成焓为-4.85 eV,高于一些不含d电子的体系。其呈现导体的能带结构,其中d电子主要形成深能级价带,定域性最强。四方MnGa合金存在着明显的自旋极化,靠近费米能级两侧的s电子和靠近费米能级下方的p电子具有较弱的自旋极化。形成浅能级价带和导带的d电子产生高强度的自旋极化,对磁性质贡献较大。Mn的s电子和Mn的p电子自旋极化作用较弱,Mn的d电子形成浅能级价带和导带,自旋极化作用最强。形成深能级价带的Ga的d电子自旋极化作用较弱,不同位置的Ga原子的自旋极化不同。四方MnGa合金体具有净有效磁矩,呈弱的亚铁磁性。     

Fe2CrP电子结构及半金属性的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Fe2CrP合金的电子结构、半金属性和磁性.结果表明Fe2CrP合金是一种半金属铁磁体,其半金属隙为0.22 eV.当晶格常数发生变化时,Fe2 CrP合金依然能在0.535 ～0.580 nm的范围内保持半金属性.计算得到Fe2CrP合金的分子总磁矩为3.00uB,与Slater-Pauling规则非常符合,Cr原子和Fe原子是分子总磁矩的主要贡献者.     

F掺杂四方钙钛矿结构BiFeO3的铁磁性和电子结构第一性原理研究

采用第一性原理方法,研究了F掺杂四方钙钛矿结构BiFeO3(T-BiFeO3)的铁磁性和电子结构.基于T-BiFeO3的四种磁结构,本文计算了两种可能的掺杂位置,确定了最稳定的T-BiFeO3-x Fx结构.研究发现,不同F的浓度对T-BiFeO3的总磁矩影响不同,当掺杂为T-BiFeO2.75 F0.25时,其总磁矩最大,为2μB.进一步分析发现,T-BiFeO3-x Fx的总磁矩主要来源于F原子及其最近邻的Fe原子.电子结构分析表明,费米能级附近的杂质态主要是掺杂后Fe 3d轨道和O 2p轨道向高能级移动而形成的.另外,T-BiFeO2.75 F0.25具有比较大的极化强度.     

Cu-Co合金纳米线稳定性和电子特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算,系统地研究了轴向应力作用下均匀交替结构和非均匀二聚体结构Cu-Co合金单原子链的结构稳定性、磁性和电子结构.Cu-Co合金原子链内聚能在较大原子间距范围内均小于相应纯Cu原子链的内聚能,因此合金原子链的稳定性较高.非均匀Cu-Co合金原子链中易于形成Co2二聚体,使得合金原子链轴向电荷密度和原子间距出现非均匀分布,从而导致轴向应力拉伸作用下原子链在Cu-Cu键处过早断裂.而轴向应力作用下的均匀交替结构Cu-Co合金原子链在较大的原子间距范同内能够稳定存在.电子结构的分析表明Cu原子和Co原子间的轨道杂化导致了Cu-Co合金原子链的高稳定性.     

用第一性原理研究Fe16N2的磁学性能

用第一性原理计算了 Fe16N2的电子结构和磁学性能.对Fe16N2的第一性原理研究表明:没有与N原子直接相邻的FeⅢ具有巨磁矩,大约为2.84μB.直接相邻N原子的FeⅠ和 FeⅡ原子只有正常磁矩.FeⅠ和FeⅡ原子的局域能带占有数分析中显示富有s和p电子的N原子主要影响Fe的4s和4p外壳电子,而3d能带占有数几乎保持不变.对于FeⅢ原子,3d电子数减少,4s和4p电子数增加,从而产生巨磁矩.当单胞体积增加时,4p电子数以快速的比率增加,4s电子数减少,而且3d电子数也减少,导致磁矩增加.     

扶手椅型石墨烯纳米带吸附镍、铜原子链的电子结构

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了扶手椅型石墨烯纳米带吸附3d过渡金属磁性Ni和非磁性Cu单原子链的结构、电子性质和磁性.吸附体系经过弛豫后,不同宽度纳米带吸附单原子链的稳定结构是不同的.Ni比Cu原子链在石墨烯纳米带表面的吸附更为稳定.原子链吸附在纳米带的边缘洞位(即5AG-1、6AG-1和7AG-1位置)时较为稳定,且稳定程度随着纳米带宽度的增加而增加.原子链和石墨烯纳米带的相互作用使得Ni单原子链吸附体系的磁矩为零.Cu原子链吸附5AG-1的复合体系具有磁性.Ni原子链的吸附体系呈现出带隙较小的半导体性质,而Cu原子链的吸附体系全都表现出金属性质.     

Cu替位与空位及Cu、S共掺SnO2的光磁性质研究

运用第一性原理,基于密度泛函理论,计算了Cu分别以替位和空位两种方式掺杂SnO2的电子结构和光电特性,并对两种掺杂方式做了一定的比较研究;磁性方面,主要研究了Cu、S共掺SnO2后的磁学性能.计算表明,两种方式掺杂,都使SnO2具有半金属特性,Cu原子将与周围的O原子发生强烈的交换作用,Cu原子对态密度的贡献主要在费米能级附近.相比之下,空位掺杂后的晶胞体积略大于替位掺杂后的SnO2,对光的能量损耗也比替位掺杂的低.对于Cu、S共掺的体系,计算表明:每个Cu原子的掺入将产生0.46μB的磁矩,而一个S原子将引入0.36μB的磁矩,Cu原子周围的O原子也对磁矩有一定的贡献.经过分析,发现体系的磁性来源主要是Cu-3d和S-3p,以及Cu-3 d与O-2 p间的强烈耦合作用.     

无序化对有序铁铝金属间化合物磁性的影响

在平衡态时,化学计量比成份Fe3Al具有D03超结构,并表现出铁磁性,平均每个Fe原子的磁矩是1.7μB,而具有B2超结构的FeAl却是无磁的.利用快速凝固、冷加工处理、溅射和机械合金化等非平衡加工技术可以使D03-Fe3Al和B2-FeAl等有序铁铝金属间化合物相无序化.本文利用固体与分子经验电子理论(EET)和Jaccarino-Walker模型对铁铝金属间化合物的磁性进行了计算,研究了无序化对Fe-Al有序相磁性的影响.结果表明:完全无序的Fe75Al25和Fe50Al50,每个Fe原子的平均磁矩分别是2.01μB、1.41μB,铁铝金属间化合物的磁性可以通过无序化提高.     

氟掺杂钛酸钡的电子结构和磁性的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,计算了F掺杂立方相BaTiO3的稳定性、电子结构和磁性.结果表明F掺杂BaTiO3体系结构稳定,掺杂体系的磁耦合作用与F原子间距密切相关.当F原子间距为0.6468nm时具有很强的铁磁耦合作用,其磁性机制可归结为未配对的Ti 3d电子自旋极化,且一个F原子替代产生1.0μB磁矩.当F原子间距为0.4933 nm时为反铁磁耦合,而间距大于0.7511 nm时为顺磁态.由于F掺杂立方相的BaTiO3可以获得比较好的铁磁性而且其稳定性很高,故有望在自旋电子器件方面发挥重要的作用.     

Cu-N共掺杂ZnO体系的稳定性,电子结构和磁性的第一性原理研究

采用第一性原理框架下的全势缀加平面波方法研究了Cu-N共掺杂的ZnO体系的电子结构和磁学性能.基于总能的计算表明,Cu-N共掺杂体系在基态下具有稳定的铁磁性,这个铁磁性的起源可以利用双交换理论进行解释.同时,电子结构的计算表明,掺杂体系在基态下呈现的是半金属特性.在Zn1-xCuxO1-yNy (x=0.0625, y=0.0625)中体系的总的磁矩为2 μB.这些磁矩主要来源于Cu-3d电子和O-2p电子以及N-2p电子的相互作用.     

Ce掺杂与O空位对锐钛矿相TiO2磁学和光学性能影响的第一性原理研究

基于第一性原理计算,建立了含有不同Ce与O空位配比的锐钛矿TiO2模型.对各个体系的稳定性、磁性、电子结构及吸收光谱进行了计算.结果表明:Ce与近邻O空位间的自旋电子交换是锐钛矿TiO2净磁矩的来源,因此体系的磁性与Ce和O空位的相对位置有关.Ce或O空位浓度增加在费米能级附近形成的施主能级使得带隙宽度进一步减小,因此体系对可见光的吸收系数进一步增加.与局域性更强的Ce-4f电子相比,Ti-3d电子更易受激参与光催化反应,因此Ce掺杂引起的O空位及其浓度是影响锐钛矿TiO2光催化性能的主要因素.     

Mn掺杂InP(111)-In极化面电子结构与磁性的第一性原理研究

本文利用密度泛函的广义梯度近似研究了Mn掺杂InP(111)-In极化面的电子结构与磁学性质.研究结果表明,随着Mn原子的掺杂位置靠近In极化面,Mn原子掺杂的形成能逐渐降低.并且所有Mn掺杂表面模型均表现出稀磁半导体特征.其原因主要在于费米能级附近的Mn-3d自旋态密度具有不对称性.通过对Mn不同掺杂位置的电子态密度、费米能级及Mn原子氧化态的对比分析发现,Mn原子的表面掺杂引起了In极化面的表面原子重构.通过对形成能与净磁矩的分析发现,所有掺杂在表面层的Mn原子的氧化态都是Mn2+.另外,随着Mn原子掺杂位置上移,费米能级向低能级方向移动,表面体系表现出明显的的P型半导体特征.     

N掺杂LaAlO3电子结构的第一性原理研究

采用第一性原理计算N掺杂LaAlO3的稳定性、电子结构和磁学性质.计算结果表明:N掺杂LaAlO3的结构稳定;而且从生成焓数值看,替位掺杂比间隙掺杂结构更稳定.形成能计算结果表明,还原环境比氧化环境更适合N掺杂,并且在还原环境下,NH3作为N源生成替位掺杂的LaAlO3-x Nx的形成能最小,即最容易形成替位掺杂.N替代LaAlO3中的O原子和位于LaAlO3晶胞间隙均产生铁磁性,其磁性均源于掺杂N-2p电子与体系价带顶O-2p电子间的p-p耦合作用.     

Mn掺杂BaTiO3多铁性的第一性原理研究

本文基于第一性原理方法,对过渡金属元素Mn掺杂四方相BaTiO3体系进行了系统的研究.通过对掺杂前后的电子结构改变及所引起的磁学性能的分析发现,过渡金属元素Mn的掺入可以使BaTiO3产生较大的铁磁性,这一磁性主要源于Mn离子局域磁矩的贡献,且随着Mn掺杂量的增加,材料体系的磁性增强;同时发现掺杂体系在001方向存在畸变,仍然保持BaTiO3原有的自发极化,即掺杂后体系仍具备铁电性.研究结果表明,进一步优化的Mn掺杂BaTiO3有望成为一种性能优越的新型多铁性材料.     

室温铁磁Sr4-xErxCo4O10.5+δ(0.6≤x≤1.2)多晶电输运和磁性能

采用固相反应法制备Sr4-xErxCo4O10.5+δ(0.4≤x≤1.2)多晶,系统研究了Er掺杂对体系结构、电输运和磁性质的影响.X射线衍射结果表明室温下x=0.4时多晶为立方晶系,空间群为P3m3,0.6≤x≤1.2时,为四方晶系,空间群为I4/mmm,四方相晶格常数随着Er含量增加而减小.扫描电子显微镜结果表明,随着Er掺杂量增加,晶粒细化,晶界增加.采用四探针法测量多晶的电阻率-温度曲线,结果表明多晶样品在80～ 300 K为半导体电输运行为,且随Er化学计量比增加样品电阻率和热激活能增大.采用超导量子干涉仪测量多晶的磁化强度-温度曲线和磁滞回线,结果表明0.6≤x≤1.2时Sr4-xErxCo4O10.5+δ多晶具有室温铁磁性,Tc≈320 ～ 335 K,室温铁磁性可能源于A位Sr和Er离子有序及CoO4.5+δ层中Co离子自旋倾斜净磁矩不为零.     

钙钛矿结构RFeO3晶体的磁化跃迁效应研究进展

钙钛矿稀土正铁氧体RFeO₃具有丰富的磁性,这主要源于4f电子层的稀土离子和3d电子层的铁离子之间复杂的相互作用。磁化跃迁作为RFeO₃体系中的重要现象,是指体系中的稀土离子磁矩和铁离子磁矩在特定的磁场和温度下发生180°旋转,宏观表现为磁热曲线中磁化强度发生断崖式变化。本文综述了不同化合物RFeO₃的两种磁化跃迁现象,第一类磁化跃迁通常具有补偿点,F_R与F_Fe的排列耦合方向不变,第二类磁化跃迁则相反,且两类磁化跃迁出现的温区受外加磁场的调控。     

Mn掺杂LiNbO3结构ZnTiO3的磁性和光电性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论计算了Mn掺杂LiNbO₃结构的ZnTiO₃(LN-ZnTiO₃)的磁性和光电性质。计算结果表明Mn掺杂LN-ZnTiO₃倾向占据Zn位,形成稳定的3d⁵电子构型。Mn替代Zn位掺杂可以为LN-ZnTiO₃提供较大的局域磁矩,约为5 μB。同时在价带顶附近形成明显的Mn-3d和O-2p轨道的受主能级,降低了材料的带隙,促进可见光的吸收。在LN-ZnTiO₃中掺杂Mn可以同时实现较大的局域磁矩和p型半导体的特性,拓展了材料在磁学和可见光吸收领域的应用。     

狄拉克材料BaMnBi2的单晶制备和物理性质研究

在本工作中,我们成功制备了层状过渡金属磷族化合物BaMnBi2单晶样品,并研究了该化合物的磁学性质和电学输运性质.准二维化合物BaMnBi2具有四方晶体结构,主要包含有两个Bi四方格子层和一个共边的MnBi4四面体层.磁化率显示BaMnBi2在TN ＝288 K以下发生反铁磁相变,并表现出很强的磁各向异性.在反铁磁相变温度TN 以上,磁化率随温度呈线性关系,暗示体系在顺磁态具有很强的反铁磁关联.电阻率随温度变化曲线和在磁场下电阻率随角度的变化曲线都表明BaMnBi2具有准二维的电子结构.磁场导致的金属-绝缘体转变和低温下大的非饱和线性磁阻,与Bi四方格子层存在狄拉克费米子是一致的.     

钛酸钡陶瓷的光学响应与结构之间的关系研究

基于电子结构密度的第一性原理,对钛酸钡陶瓷立方结构和四方结构的电子密度、能带结构和光学特性进行计算与比较.在低能量状态下,光响应主要是从O 2p到Ti 3d的过渡.计算结果和实验数据与其他计算方式相比具有更好的吻合性.相比较于四方结构,立方结构的所有参数值向能量值降低或者参数值增加的方向移动.     

Cu-32Mn-8Ti预合金粉末与金刚石颗粒的界面反应

采用自制Cu-32Mn-8Ti预合金粉末为粘合剂,在低真空钎焊条件下制备了金刚石复合材料.利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪等研究预合金粉末与金刚石颗粒界面反应.结果表明,在试验条件下,胎体中的Ti原子向金刚石表面扩散,形成约为3～5μm的扩散层,并与金刚石颗粒表面的C发生化学反应生成TiC,呈非连续层片状分布于金刚石颗粒表面,实现了金刚石颗粒与金属的化学键结合.