无序性铁基合金磁性调控机理理论研究的第一性原理方法

摘要

本发明公开了无序性铁基合金磁性调控机理理论研究的第一性原理方法，属于电子学器件技术领域，该第一性原理方法具体步骤如下：步骤一：建立两类Fe基超晶胞模型；步骤二：进行结构优化，找到最稳定的构型；步骤三：进行基态计算，计算出基态的电子性质和基本磁性；步骤四：进行Bader电子计算、电子态密度占据情况与饱和磁感应强度等磁性的计算；步骤五：统计分析两类Fe基超晶胞模型的结构特征；本发明通过DFT理论研究方法，得到了提高软磁材料Fe基合金饱和磁化强度的方法，使其一方面可以应用于电力工业，如变压器、继电器、电缆等；另一方面可以应用于电子工业，如加速器高频加速腔、磁性基片、磁敏元件等。

说明书

技术领域

本发明涉及电力及电子学器件技术领域，尤其涉及无序性铁基合金磁性调控机理理论研究的第一性原理方法。

背景技术

铁磁材料在日常生活、航空航天、国防军工等诸多领域广泛应用。其中、以铁基合金为代表的软磁材料具有良好的综合性能、低廉的价格、备受关注。由于合金的结构决定其物理性质，所以研究铁基非晶合金具有重大的意义。

铁基非晶合金具有较高的磁通密度，优异的耐腐蚀特性、较低的弹性模量、良好的机械性能和高的磁导率、低的磁致伸缩系数，因此铁基非晶合金在磁敏传感器、开关电源、电子电力技术等方面具有广泛的应用。但生活中，其应用却远不及硅钢普遍，主要还是由于铁基非晶合金处于热力学亚稳态，在实际应用中容易受到外部环境影响，引起其结构和性能的波动，应此研究铁基非晶合金结构和性能的演变规律对实际生产和应用具有十分重要的指导意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的无序性铁基合金磁性调控机理理论研究的第一性原理方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

无序性铁基合金磁性调控机理理论研究的第一性原理方法，该第一性原理方法采用DFT理论研究方法，通过VASP计算模拟软件包模拟，交换关联势采用GGA-PBE泛函，截断能Ecut＝350eV，计算精度设为Accurate，K点取样选用6x6x6网格，收敛标准为原子最大受作用力为0.01eV，电子自洽迭代标准为1*10-6，其具体步骤如下：

步骤一：建立两类Fe基超晶胞模型；

步骤二：进行结构优化，找到最稳定的构型；

步骤三：进行基态计算，计算出基态的电子性质和基本磁性；

步骤四：进行Bader电子计算、电子态密度占据情况与饱和磁感应强度等磁性的计算；

步骤五：统计分析两类Fe基超晶胞模型的结构特征，包括体积和原子间距，研究其结构与磁性之前的联系；通过bader电荷分析其电荷的转移情况，找出电荷转移与磁性之间的规律；通过电子占据态的分析得出主要是Fe原子的d轨道对磁性的改变做出了贡献。

进一步地，步骤一所述两类Fe基超晶胞模型包括有序的B2构型和局部无序的A2构型，其采用ATAT软件产生随机的二元合金结构，并选取其中典型的10个构型。

进一步地，步骤二所述最稳定的构型通过如下步骤实现：

S1：通过薛定谔方程将物质波的概念和波动方程相结合建立二阶偏微分方程，用来刻画微观粒子的运动状态，且每个微观系统都有一个相应的薛定谔方程，通过解方程可得到波函数的具体形式以及对应的能量，从而了解微观系统的性质；

S2：计算模拟软件通过不断的迭代优化，找出原子与原子之间受力最小的位置，即最稳定的位置，得到基态原子结构。

进一步地，所述二阶偏微分方程具体公式如下：

式中：H为哈密顿算符，ψ(r,t)为波函数，其中r和R为电子和原子核的位置矢量，E为能量本征值，各个参数是根据所研究的体系整体而言的。

进一步地，步骤三所述基态计算会找到基态结构后，之后需进行静态自洽计算，得到结构的能量、电子性质及各个原子的磁矩。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

本申请无序性铁基合金磁性调控机理理论研究的第一性原理方法通过DFT理论研究方法，得到了提高软磁材料Fe基合金饱和磁化强度的方法，使其一方面可以应用于电力工业，如变压器、继电器、电缆等；另一方面可以应用于电子工业，如加速器高频加速腔、磁性基片、磁敏元件等；并且Fe基合金的原材料成本低廉，易于获取；通过控制材料的热处理过程来控制其构型，从而有利于实现局部无序的目的，该技术目前较为成熟，实现成本较低，易于实现；且铁基合金的居里温度较高，可达到室温环境，应用范围较广。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明提出的无序性铁基合金磁性调控机理理论研究的第一性原理方法的整体流程图；

图2为K点测试示意图；

图3为截断能ENCUT测试示意图；

图4为Fe10Al6的模型图；

图5为Fe10Al6的径向分布函数的示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1，本实施例公开了一种无序性铁基合金磁性调控机理理论研究的第一性原理方法，该第一性原理方法采用DFT理论研究方法，通过VASP计算模拟软件包模拟，交换关联势采用GGA-PBE泛函，截断能Ecut＝350eV，计算精度设为Accurate，K点取样选用6x6x6网格，收敛标准为原子最大受作用力为0.01eV，电子自洽迭代标准为1*10-6，其具体步骤如下：

步骤一：建立两类Fe基超晶胞模型；

具体的，该两类Fe基超晶胞模型包括有序的B2构型和局部无序的A2构型，其采用ATAT软件产生随机的二元合金结构，并选取其中典型的10个构型。

步骤二：进行结构优化，找到最稳定的构型；

具体的，该稳定的构型通过如下步骤实现：

S1：通过薛定谔方程将物质波的概念和波动方程相结合建立二阶偏微分方程，用来刻画微观粒子的运动状态，且每个微观系统都有一个相应的薛定谔方程，通过解方程可得到波函数的具体形式以及对应的能量，从而了解微观系统的性质；

该二阶偏微分方程具体公式如下：

式中：H为哈密顿算符，ψ(r,t)为波函数，其中r和R为电子和原子核的位置矢量，E为能量本征值，各个参数是根据所研究的体系整体而言的。

S2：计算模拟软件通过不断的迭代优化，找出原子与原子之间受力最小的位置，即最稳定的位置，得到基态原子结构。

步骤三：进行基态计算，计算出基态的电子性质和基本磁性；

具体的，该基态计算会找到基态结构后，之后需进行静态自洽计算，得到结构的能量、电子性质及各个原子的磁矩。

步骤四：进行Bader电子计算、电子态密度占据情况与饱和磁感应强度等磁性的计算；

步骤五：统计分析两类Fe基超晶胞模型的结构特征，包括体积和原子间距，研究其结构与磁性之前的联系；通过bader电荷分析其电荷的转移情况，找出电荷转移与磁性之间的规律；通过电子占据态的分析得出主要是Fe原子的d轨道对磁性的改变做出了贡献。

参照图2-5，本实施例公开了一种无序性铁基合金磁性调控机理理论研究的第一性原理方法，除与上述实施例相同的结构外，本实施例将结合测试结果进行具体介绍；

布里渊区采用Monkhorst-Packk-point网格取样，K点的取样经过了严格的测试，测试结果如图2，经测试，本文选用6×6×6的网格；

为确保计算结果的准确性，兼顾计算的时间成本，本文对截断能的选取亦经过了严格的测试，测试结果如图3，截断能在300eV处开始收敛，保守起见，本文选取的截断能为350eV；

本文在研究不同构型的电子及磁性能时使用的模型如图4所示，(a)为B2-conf1构型；(b)为B2-conf2构型；(c)为A2构型，有序的B2构型有两类，A2构型有多种，这儿列出了其中的一种；

对径向分布函数[The pair-distribution function，简称PDF，g(r)]是研究晶体和局部无序结构的重要手段，PDF测量了原子在离特定原子一定距离处的密度，并表征了局部无序结构的程度。PDF可定义为：

其中V是模拟系统的体积，N是原子数，N(r，Δr)是r和r+Δr之间间隔内中心原子周围的原子数；

此外，图5为Fe

最后，表1出了每个构型的配位数，对于B2构型，第一近邻的Fe:Al比为3.2:4.8；对于A2构型，第一近邻的Fe:Al比为4.2:3.8；当第一邻域相同时，B2-conf2的铁铝比略大于B2-conf1构型，根据上述规律，总磁矩随Fe:Al比的增加而增大，主要受第一近邻Fe:Al的影响；

表1：Fe10Al6的配位情况

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。