3d过渡金属纳米线封装在Au(5,5)纳米管后几何结构及磁学性质的第一性原理研究

摘要

一维过渡金属原子链(Transition.metal monoatom chain，TM MAC)由于具有独特的物理性质如量子尺寸效应、小尺寸效应、高自旋极化、量子隧穿效应和巨磁性等，因而在高密度磁性存储、纳米电路和白旋过滤等领域都展现了很广阔的应用前景。自成功制备出TM MAC以来，如何才能使TM MAC实际应用一直是材料科学领域的热点。
　　 一维过渡金属原子链在自然条件下是不稳定的，因此我们必须在不破坏其独特的物理特性的前提下提高其稳定性。目前，稳定金属原子链的一种主要方法是将金属原子链封装在稳定的纳米管结构中。金纳米管除具有纳米管所固有的性质外，还具有很好的稳定性和电导性。因此用金纳米管封装TM MAC成为一个较为理想的选择。
　　 本文采用基于密度泛函理论(Density function theory，DFT)的第一性原理(First principles)方法，对所有的第三副族(3d)(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu)过渡金属原子链封装在Au(5，5)管(TM@Au)后的几何结构、能量和电子结构进行了分析，并计算了其磁矩和磁晶各向异能，力图探索3d过渡金属原子链封装在Au纳米管后的共性和各自所独有的特性。得到的主要结论如下：
　　 1.Sc@Au、Ti@Au、Fe@Au、Co@Au和Ni@Au铁磁态更稳定，而V@Au、Cr@Au和Mn@Au在反铁磁态更稳定；
　　 2.过渡金属原子链封装在Au管后，铁磁态TM@Au的晶格常数随原子序数的增加基本呈减小趋势。反铁磁态TM@Au的晶格常数都要大于相应的反铁磁态TM MAC；
　　 3.封装在Au管后，两种磁态TM@Au的形成能都比自由原子链中形成能大得多，因此，用Au管封装可以稳定TM MAC；
　　 4.TM@Au稳定态的自旋磁矩相比自由原子链中均有所降低，说明TM原子与Au原子之间相互作用削弱了TM原子的自旋极化；
　　 5.铁磁态TM@Au易磁化轴由自由原子链中的沿原子链方向转变为垂直于原子链方向，反铁磁态TM@Au易磁化轴由自由原子链中的垂直于原子链方向转变为沿原子链方向。