半金屬合金精品課件

1、半金屬合金第1頁，共15頁，2022年，5月20日，2點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，人們在對半霍伊斯勒(semi-Heusler)合金NiMnSb和PtMnSb做能帶計算時，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自旋方向的子能帶中打開，從而實現(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，共15頁，2022年，5月20日，2點5分，星期二 1.2 半金屬鐵磁體的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 第3頁，共15頁，2022年，5月20日，2點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了豐富的物理特性和應用功能. 半金屬特性是迄今為止在Heusler合金中，發(fā)現(xiàn)的最有開發(fā)價值和應用潛力的功能特性.運用基于密度泛函理論的第一性原理方法，計算Hg2CuTi型Mn2CoAl的晶格常數(shù)、磁矩、電子態(tài)密度。通過以上計算，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理，并與相關(guān)材料及實驗結(jié)果比較。第4頁，共15頁，2022年，5月20日，2點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)量子力學原理，不使用任何經(jīng)驗參數(shù)，在絕熱近似、軌道近似和非相對論近似下，通過求解相應的薛定諤方程來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，第一項表示電子的動能，第二項表示電子與核的相互作用勢能，第三項表示電子間互斥能，最后項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，共15頁，

4、2022年，5月20日，2點5分，星期二2.2多體問題的求解Born一Oppehneimer近似 對于多粒子體系，上述方程從數(shù)學上仍不能求解。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，因而電子運動速度比原子核快得多。當核間發(fā)生任一微小運動時，迅速運動的電子都能立即進行調(diào)整，建立起與變化后核力場相應的運動狀態(tài)。這意味著，在任一確定的核的排布下，電子都有相應的運動狀態(tài)。同時，核間的相對運動可視為電子運動的平均作用結(jié)果。據(jù)此，Born和Oppenheimer處理了體系的定態(tài)Schrodinger方程，使核運動和

5、電子運動分離開，這就是所謂的Born-oppenheimer近似.第6頁，共15頁，2022年，5月20日，2點5分，星期二非相對論近似 軌道近似 2.3密度泛函理論 認為電子質(zhì)量等于其靜止質(zhì)量，并認為光束接近無窮大.上述的薛定諤方程已采用了非相對論的形式. 指的是多電子體系問題轉(zhuǎn)化為一組單電子體系問題 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。通過玻恩奧本海默絕熱近似，將原子核的運動與電子的運動分開，即考慮電子運動時原子核是處在它們的瞬時位置上，核的運動不影響電子的運動，當考慮核的運動時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，將多電子問題轉(zhuǎn)化為單電子問題，建立起了對單子問題嚴格的求解：密度泛函理論。（1）定理一：不計自旋的全同費密子系統(tǒng)的基態(tài)能量是粒子數(shù)密度函數(shù)第7頁，共15頁，2022年，5月20日，2點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，共15頁，2022年，5月20日，2點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)，計算出離子新的平衡位置，同時保證此

7、結(jié)構(gòu)達到局部總能最小值。由于離子弛豫勢必會導致電荷重新分布，因此在計算時要同時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，共15頁，2022年，5月20日，2點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算值 參數(shù) 計算值 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，共15頁，2022年，5月20日，2點5分，星期二 我們算出了Mn2CoAl在平衡晶格常數(shù)，從計算出的平衡晶格常數(shù)出發(fā)，還計算了合金的總磁矩和各原子自旋磁矩

8、。以上計算結(jié)果見表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Al原子和四個Mn(B)原子，Mn(B)原子最近鄰的是四個Co原子和四個Mn(A)原子。Mn2CoAl總磁距接近2 ，符合Slater-Pauling原則。第11頁，共15頁，2022年，5月20日，2點5分，星期二 3

9、.4Mn2CoAl態(tài)密度分析第12頁，共15頁，2022年，5月20日，2點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，且在費米面附近Mn(A)-d、Mn(B)-d的投影態(tài)密度交疊都很少。這說明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，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維持，這就是Mn2CoAl呈現(xiàn)亞鐵磁結(jié)構(gòu)的成因。第13頁，共15頁，2022年，5月20日，2點5分，星期二5總結(jié) 運用基于密度泛函理論的第一性原理的投影擴充波函數(shù)（PAW）方法，對Mn2CoAl的晶體結(jié)構(gòu)、磁性、電子結(jié)構(gòu)等進行了計算。計算結(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，但兩者在費米面附近交疊都很少，說明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-