Fe/Cr超晶格电子结构和磁性的第一性原理研究

摘要

应用基于第一性原理的全势线性缀加平面波方法(FLAPW)，本文计算了(001)面和(110)面Fe/Cr超晶格的电子结构，研究了该体系中Fe层在铁磁耦合与反铁磁耦合两种状态下的磁矩分布和能态密度。 在(001)面，Fe<,1>/Cr<,1>、Fe<,3>/Cr<,1>、Fe<,3>/Cr<,3>、Fe<,5>/Cr<,5>超晶格体系中Fe层间为铁磁耦合时的总能量更低，即铁磁耦合状态是基态，对于Fe<,4>/Cr<,4>，反铁磁耦合时的总能量更低，所以反铁磁耦合状态是基态。其内禀自旋波长度为两层。Fe层的磁矩由于Cr层的加入而有一些变化，Cr层的磁矩的方向是正负相间变化的。相邻的Fe原子和Cr原子之间是反铁磁性耦合的，Fe原子的d轨道和Cr原子的d轨道在费米能附近有一定程度的杂化。 对于Fe<,1>/Cr<,1>、Fe<,3>/Cr<,3>、Fe<,4>/Cr<,4>、Fe<,5>/Cr<,5>超晶格来说，随着Fe/Cr超晶格中m和n的逐渐增大，所有的Fe原子和处手中间层的Cr原子，其磁矩基本上是逐渐增大的；而处于边界处的Cr原子，其磁矩没有明显的变化趋势，原因是边界处的Cr原子的磁矩依赖于Fe原子的磁矩变化、Fe原子与Cr原子之间的耦合情况和中间层Cr原子的磁矩变化，而随着m和n的逐渐增大，这几种变化没有形成一个统一的趋势。 在(110)面，Fe<,3>/Cr<,1>、Fe<,3>/Cr<,3>、Fe<,3>/Cr<,5>超晶格体系中Fe层间铁磁耦合时的总能量更低，即铁磁耦合状态是基态。Fe层的磁矩由于Cr层的加入而有一些变化，Cr层的磁矩的方向是正负相间变化的。相邻的Fe原子和Cr原子之间是反铁磁性耦合的。因为Fe原子的d轨道和Cr原子的d轨道在费米能附近有较强的杂化，所以Cr层的磁矩受到抑制。计算表明，Cr层上出现了很小的磁矩。Cr层的磁矩由不同磁作用之间的微妙的平衡来决定。 比较三种超晶格Fe<,3>/Cr<,1>、Fe<,3>/Cr<,3>、Fe<,3>/Cr<,5>的磁性，就会发现，从Fe<,3>/Cr<,1>到Fe<,3>/Cr<,3>，再到Fe<,3>/Cr<,5>，随着Cr层的厚度逐渐增大，处于中间层的Cr原子磁矩逐渐增大，但是处于边界处Cr原子磁矩却逐渐减小;无论是处于中间层Fe原子，还是处于边界处的Fe原子，磁矩都逐渐减小，并且减小的趋势越来越明显。 通过对Fe/Cr超晶格在(001)面和(110)面的基态能量、电子结构、磁性等性质的研究，提供了大量有用的数据，得出了许多结论，对进一步研究其光学性质、磁光性质、磁致电阻等有重要的作用，而磁性超晶格的光学性质、磁光性质、磁致电阻等对于进一步开发和应用磁性材料有指导作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1磁性材料概述

1.2 Fe/Cr超晶格的研究现状

1.3本文所作的工作

第二章第一性原理计算与FLAPW方法

2.1第一性原理

2.2体系内粒子相互作用的求解

2.3周期性超原胞近似

2.4赝势

2.5离子之间的相互作用形式

2.6总能赝势方法

2.7离子弛豫的处理

2.8 FLAPW方法

第三章Fe/Cr超晶格(001)面的电子结构和磁性

3.1 Fe3/Cr3超晶格的电子结构和磁性

3.2 Fe1/Cr1、Fe3/Cr3、Fe5/Cr5超晶格的磁性

3.3Fe3/Cr1、Fe3/Cr3、Fe4/Cr4超晶格的磁性和电子结构

3.4 Fe1/Cr1、Fe3/Cr3、Fe4/Cr4、Fe5/Cr5超晶格的磁性比较

第四章Fe/Cr超晶格(110)面的电子结构和磁性

4.1 Fe3/Cr1、Fe3/Cr3、Fe3/Cr5超晶格的能量

4.2Fe3/Cr1、Fe3/Cr3、Fe3/Cr5超晶格的磁性

4.3 Fe3/Cr1、Fe3/Cr3、Fe3/Cr5超晶格的电子结构

第五章总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文