半金屬合金精品課件

1、半金屬合金第1頁(yè)，共15頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)5分，星期二1.緒論半金屬鐵磁體是在1983年首次被發(fā)現(xiàn)的，人們?cè)趯?duì)半霍伊斯勒(semi-Heusler)合金NiMnSb和PtMnSb做能帶計(jì)算時(shí)，得到了一種特殊的能帶結(jié)構(gòu)，于是人們便把這種具有能帶結(jié)構(gòu)的物質(zhì)稱(chēng)為半金屬鐵磁體。這種半金屬在宏觀上通常表現(xiàn)為具有金屬性的磁性化合物，但是在晶體結(jié)構(gòu)、鍵的性質(zhì)以及較大的交換劈裂等因素的共同影響下，其能隙恰好只在一個(gè)自旋方向的子能帶中打開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)了金屬性與絕緣性在微觀尺度下的共存。 特殊的能帶結(jié)構(gòu)使得半金屬鐵磁體除了具備鐵磁體的共性之外，還有著一些特殊的性質(zhì) 。 其傳導(dǎo)電子的自旋極化率為100%

2、，而一般的鐵磁體的極化率只有10%到40%。 磁矩是玻爾磁矩的整數(shù)倍。 1.1半金屬鐵磁體第2頁(yè)，共15頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)5分，星期二 1.2 半金屬鐵磁體的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 第3頁(yè)，共15頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)5分，星期二1.3 本課題研究的意義及研究的內(nèi)容Heusler合金是一種高度有序的金屬間化合物，原子的高度有序排列給材料帶來(lái)了豐富的物理特性和應(yīng)用功能. 半金屬特性是迄今為止在Heusler合金中，發(fā)現(xiàn)的最有開(kāi)發(fā)價(jià)值和應(yīng)用潛力的功能特性.運(yùn)用基于密度泛函理論的第一性原理方法，計(jì)算Hg2CuTi型Mn2CoAl的晶格常數(shù)、磁矩、電子態(tài)密度。通過(guò)以上計(jì)算，探求Mn2C

3、oAl的晶體結(jié)構(gòu)、磁性、電子結(jié)構(gòu)的規(guī)律，揭示半金屬磁性Heusler合金化合物的微觀機(jī)理，并與相關(guān)材料及實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較。第4頁(yè)，共15頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)5分，星期二2. 基于密度泛函理論的第一性原理方法2.1第一性原理方法所謂第一性原理方法，即是根據(jù)量子力學(xué)原理，不使用任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，在絕熱近似、軌道近似和非相對(duì)論近似下，通過(guò)求解相應(yīng)的薛定諤方程來(lái)獲得固體材料的性質(zhì)。 固體材料系統(tǒng)的薛定諤方程為： 在上面式子中，第一項(xiàng)表示電子的動(dòng)能，第二項(xiàng)表示電子與核的相互作用勢(shì)能，第三項(xiàng)表示電子間互斥能，最后項(xiàng)表示原子核間互斥能。本征函數(shù)為體系波函數(shù)，本征值E為體系的電子總能量。第5頁(yè)，共15頁(yè)，

4、2022年，5月20日，2點(diǎn)5分，星期二2.2多體問(wèn)題的求解Born一Oppehneimer近似 對(duì)于多粒子體系，上述方程從數(shù)學(xué)上仍不能求解。為了求解上述方程，必須借助一系列的近似理論和基本原理在物理模型上作一系列的簡(jiǎn)化。 由于體系中的原子核的質(zhì)量比電子大103到105倍，因而電子運(yùn)動(dòng)速度比原子核快得多。當(dāng)核間發(fā)生任一微小運(yùn)動(dòng)時(shí)，迅速運(yùn)動(dòng)的電子都能立即進(jìn)行調(diào)整，建立起與變化后核力場(chǎng)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這意味著，在任一確定的核的排布下，電子都有相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，核間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可視為電子運(yùn)動(dòng)的平均作用結(jié)果。據(jù)此，Born和Oppenheimer處理了體系的定態(tài)Schrodinger方程，使核運(yùn)動(dòng)和

5、電子運(yùn)動(dòng)分離開(kāi)，這就是所謂的Born-oppenheimer近似.第6頁(yè)，共15頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)5分，星期二非相對(duì)論近似 軌道近似 2.3密度泛函理論 認(rèn)為電子質(zhì)量等于其靜止質(zhì)量，并認(rèn)為光束接近無(wú)窮大.上述的薛定諤方程已采用了非相對(duì)論的形式. 指的是多電子體系問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一組單電子體系問(wèn)題 由于固體物質(zhì)中存在大量的原子核和電子，處理如此多數(shù)量的量子多粒子系統(tǒng)，必須采用近似方法。通過(guò)玻恩奧本海默絕熱近似，將原子核的運(yùn)動(dòng)與電子的運(yùn)動(dòng)分開(kāi)，即考慮電子運(yùn)動(dòng)時(shí)原子核是處在它們的瞬時(shí)位置上，核的運(yùn)動(dòng)不影響電子的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)考慮核的運(yùn)動(dòng)時(shí)則不考慮電子在空間的具體分布。在Hohenberg-Kohn

6、定理的基礎(chǔ)上，將多電子問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單電子問(wèn)題，建立起了對(duì)單子問(wèn)題嚴(yán)格的求解：密度泛函理論。（1）定理一：不計(jì)自旋的全同費(fèi)密子系統(tǒng)的基態(tài)能量是粒子數(shù)密度函數(shù)第7頁(yè)，共15頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)5分，星期二3.半金屬Heusler合金Mn2CoAl的第一性原理研究3.1 Mn2CoAl的結(jié)構(gòu)第8頁(yè)，共15頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)5分，星期二3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化 具有周期性結(jié)構(gòu)的固體中原子在平衡位置受力總體為零。但在某些情況下，如表面、界面或者存在缺陷等體系中，原子所處環(huán)境的改變導(dǎo)致原子受力發(fā)生改變，使原子偏離體的平衡位置。結(jié)構(gòu)優(yōu)化就是從離子受力情況出發(fā)，計(jì)算出離子新的平衡位置，同時(shí)保證此

7、結(jié)構(gòu)達(dá)到局部總能最小值。由于離子弛豫勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致電荷重新分布，因此在計(jì)算時(shí)要同時(shí)考慮到電荷密度自洽和離子弛豫，使離子受力為零，并且系統(tǒng)總能局部是極小值。第9頁(yè)，共15頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)5分，星期二3.3磁性分析表1.Mn2CoAl的總磁距及各原子的磁距的計(jì)算值 參數(shù) 計(jì)算值 總磁矩 2.021 自旋磁距（Mn（A） -1.427 自旋磁矩（Mn（B） 2.554自旋磁距（Co） 0.907自旋磁距（Al） -0.013第10頁(yè)，共15頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)5分，星期二 我們算出了Mn2CoAl在平衡晶格常數(shù)，從計(jì)算出的平衡晶格常數(shù)出發(fā)，還計(jì)算了合金的總磁矩和各原子自旋磁矩

8、。以上計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可看出，Mn2CoAl的總磁距主要由Mn原子提供（Co，Al原子貢獻(xiàn)較小），但Mn(A)、Mn(B)原子磁矩呈反平行排列且值不等，因而MnCoAl合金表現(xiàn)為亞鐵磁結(jié)構(gòu)，總磁矩分別是2.021 。在此可看到，同種但不同晶位的Mn(A)、Mn(B)原子表現(xiàn)出不同的磁特性，原因是A、B晶位的Mn原子所處的周邊原子環(huán)境均不同，其中Mn(A)原子最近鄰的是四個(gè)Al原子和四個(gè)Mn(B)原子，Mn(B)原子最近鄰的是四個(gè)Co原子和四個(gè)Mn(A)原子。Mn2CoAl總磁距接近2 ，符合Slater-Pauling原則。第11頁(yè)，共15頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)5分，星期二 3

9、.4Mn2CoAl態(tài)密度分析第12頁(yè)，共15頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)5分，星期二結(jié)論： 由上可看出，其主要的特征表現(xiàn)為：在費(fèi)米面附近的態(tài)密度主要由Mn(A)-d、Mn(B)-d的投影態(tài)密度決定，且在費(fèi)米面附近Mn(A)-d、Mn(B)-d的投影態(tài)密度交疊都很少。這說(shuō)明A、B晶位的Mn原子之間的d軌道雜化(d-d直接交換作用)均很弱。這時(shí)，Mn(A)與Mn(B)之間磁矩的亞鐵磁耦合是由上述的這種弱的d-d直接交換作用來(lái)維持，而Mn(A)之間、Mn(B)之間的鐵磁耦合則是由Al原子的s電子為媒介的間接交換作用來(lái)維持，這就是Mn2CoAl呈現(xiàn)亞鐵磁結(jié)構(gòu)的成因。第13頁(yè)，共15頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)5分，星期二5總結(jié) 運(yùn)用基于密度泛函理論的第一性原理的投影擴(kuò)充波函數(shù)（PAW）方法，對(duì)Mn2CoAl的晶體結(jié)構(gòu)、磁性、電子結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：Mn2CoAl的總磁矩主要由Mn原子提供，但Mn(A)、Mn(B)原子磁矩值不等而且呈反平行排列，因而Mn2CoAl合金均表現(xiàn)為亞鐵磁結(jié)構(gòu)；在費(fèi)米面附近的總態(tài)密度主要由Mn(A)-d、Mn(B)-d的投影態(tài)密度決定，但兩者在費(fèi)米面附近交疊都很少，說(shuō)明Mn(A)和Mn(B)原子之間的d-d直接交換作用均很弱，Mn(A)與Mn(B)之間磁矩的亞鐵磁耦合正是由這種弱的d-