尖晶石型软磁铁氧体电子结构及磁性质的第一性原理研究

摘要

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法，系统的研究了ZnFe204铁氧体、Zn0.5Mn0.5Fe204铁氧体、MnFe204铁氧体和NiFe204铁氧体的晶体结构、电子结构、磁性质及介电性质；阐明了随掺杂Mn含量的增加，ZnFe204铁氧体、Zn0.5Mn0.5Fe204铁氧体和MnFe204铁氧体磁性质的变化规律：揭示了各体系磁性质的微观机理。研究表明，单纯锌铁氧体ZnFe204是一种非磁性直接能隙半导体材料，导带由Fe的3d电子轨道和O的2p电子轨道共同贡献，价带由Fe的3d轨道构成。其中Fe的3d电子轨道和O的2p电子轨道重叠较强，表明Fe与O相互作用强烈，起到了使晶格结构稳定的作用。计算表明，掺杂Mn的Zn0.5Mn0.5Fe204铁氧体和MnFe204铁氧体仍保持尖晶石型结构，但与ZnFe204铁氧体相比，其晶胞体积增大，结构的稳定性减弱。Zn0.5Mn0.5Fe204铁氧体和MnFe204铁氧体基态都为亚铁磁性，具有半金属特征。随着掺杂Mn含量的增大，ZnFe204铁氧体、MnFe204铁氧体和Zn0.5Mn0.5Fe204铁氧体的总磁距呈现出先增大后减小的趋势。计算还得出，Zn0.5Mn0.5Fe204铁氧体的磁距(7.41８μB)大于锰铁氧体(4.99μB)和镍铁氧体(1.92IμB)的磁距。电子态密度分析表明，在Zn0.5Mn0.5Fe204铁氧体中，锌原子使铁原子和锰原子的杂化作用增强，导致铁原子和锰原子自旋磁距增大，故而总磁距增大。对Zn0.5Mn0.5Fe204铁氧体介电常数的计算表明，其介电性质具有弛豫型的频散特性。对反型尖晶石结构NiFe204铁氧体的计算表明，NiFe204铁氧体是一种半金属，与ZnFe204铁氧体相比，其结构稳定性好。NiFe204铁氧体基态为亚铁磁性，B位铁原子的自旋磁距(1.88μB)大于A位铁原子的自旋磁距(-1.79μB)，原因在于B位中镍原子的存在，增强了镍原子与B位铁原子的杂化作用，使此位置的铁原子自旋磁距增大。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 软磁铁氧体的结构与磁性

1.2.1 软磁铁氧体晶体结构

1.2.2 影响金属离子在A位、B位分布的因素

1.2.3 铁氧体磁性来源

1.3 研究的目的及意义

1.4 课题主要研究内容

第2章 计算方法

2.1 第一性原理计算方法简介

2.2 密度泛函理论简介

2.2.1 Hohonberg-Kohn定理

2.2.2 赝势平面波方法

2.2.3 交换关联相互作用

2.3 CASTEP软件包功能特点简介

2.4 本章小结

第3章 锌铁氧体的晶体结构和电子结构

3.1 计算模型和参数设置

3.2 晶体结构

3.3 电子结构

3.3.1 能带结构与总态密度

3.3.2 分态密度

3.4 本章小结

第4章 锰锌铁氧体的电子结构与磁性及介电性质

4.1 计算模型和参数设置

4.2 晶体结构

4.3 电子结构

4.3.1 能带结构与总态密度

4.3.2 分态密度

4.4 磁性质

4.4.1 总磁距

4.4.2 原子布局分析

4.5 介电性质

4.6 本章小结

第5章 镍铁氧体的电子结构和磁性质

5.1 计算模型和参数设置

5.2 晶体结构

5.3 电子结构

5.3.1 能带结构与总态密度

5.3.2 分态密度

5.4 磁性质

5.4.1 总磁距

5.4.2 原子布局分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢