Fe3Si物理性质及掺杂效应第一性原理研究

摘要

铁磁性材料在日常生活、航空航天、国防军工、等诸多领域有广泛应用。其中，铁基合金材料因具有良好的综合性能，低廉的价格，倍受关注。最具代表性的物质是DO3型Fe3Si合金材料。Fe3Si不仅具有优越的磁学和电学性能，而且具有制备成本低廉和制备工艺简单等优点，成为研究的热点之一。然而，关于Fe3Si合金与其他铁基合金材料的比较研究却很少。另外，掺杂在化工、材料等领域中是一种重要的研究方法。由于在元素周期表中，相邻元素的性质相似。所以，我们选择用和Fe同周期的Co原子以及和Si同主族的Ge原子对Fe3Si进行掺杂研究。
　　本研究主要内容包括：⑴通过对Fe3X(X=Si, Ge, Al)合金的力学性质、电子结构和磁学性质的对比研究发现：三种合金都是铁磁性金属材料且具有稳定的立方结构。相比于其他两种合金，Fe3Si合金的结构最为稳定并且最容易合成，它具有较大的强度、刚度和硬度，但其塑性较差，总磁矩较小。⑵根据实验结果搭建Fe3-xCoxSi（x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)合金的结构，结合能计算表明Fe3-xCoxSi（x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)合金的结构稳定性倾向于富铁成分。力学性质计算得出一定量的 Co掺杂 Fe3Si，会使其抵抗剪切变形能力和硬度增大，塑性减弱。电子结构和磁学性质的计算揭示出 Fe3-xCoxSi(x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)合金都是铁磁性材料，在 Fe3Si中掺杂 Co原子，可以使得费米面向导带偏移，进而在自旋向下的能带中，于费米面以上形成带隙，且带隙值随着Co成分的增加而增加。通常3d过渡金属原子的电子具有强关联性，本文运用GGA+U计算方法，对Fe3-xCoxSi(x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)合金中Fe原子和 Co原子的3d轨道上电子的局域性进行了研究，结果表明 Fe3-xCoxSi（x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)合金中A位置和C位置上的Fe原子3d轨道上的电子局域性比Co原子3d轨道上的电子局域性要强。⑶用Ge掺杂Fe3Si得到Fe3Si1-xGex（x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)合金，并对其物理性质进行研究。结果表明：Ge掺杂 Fe3Si减弱了其抵抗剪切变形的能力和硬度，但轻微地增加了其塑性，并且Fe3Si1-xGex(x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)合金的杨氏模量随Ge成分的增加而增大，揭示出Fe原子和Si原子之间的作用比Fe原子和Ge原子之间的作用要强。通过结合能和形成焓的计算预测出：在Fe3Si中，Ge掺杂量越大，实现起来就越困难；掺杂后得到的 Fe3Si1-xGex（x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)合金都具有稳定的立方结构，且稳定性逐渐减弱。此外，电子结构计算揭示出：Fe3Si1-xGex（x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)合金是铁磁性金属材料。 IFe原子的磁矩比 IFe原子的磁矩要大，并且 IFe原子的磁矩随着Ge成分的增加呈逐渐增大的趋势，使得Fe3Si1-xGex（x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00)合金的总磁矩随着Ge原子的增多而增大。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 Fe基合金研究现状

1.3 几种二元Fe3X合金的结构

1.4 论文选题目的及意义

1.5 论文研究思路与方法

第2章 第一性原理计算

2.1 密度泛函理论

2.2 本文的计算参数设置

2.3 本文的分析方法介绍

2.4 本章小结

第3章 Fe3X (X=Si, Ge, Al)合金的物理性质

3.1 晶体结构

3.2 结构性质

3.3 力学性质

3.4 电子结构

3.5 磁学性质

3.6 本章小结

第4章 Fe3-xCoxSi合金的物理性质

4.1 晶体结构

4.2 结构性质

4.3 力学性质

4.4 电子结构和磁学性质

4.5 本章小结

第5章 Fe3Si1-xGex合金的物理性质

5.1 晶体结构

5.2 力学性质

5.3 电子结构

5.4 磁学性质

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的学术论文