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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

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

作     者:马琳琳 

作者单位:哈尔滨理工大学 

学位级别:硕士

导师姓名:姜久兴

授予年度:2010年

学科分类:080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程(可授工学、理学学位)] 080502[工学-材料学] 

主      题:尖晶石型软磁铁氧体 第一性原理计算 电子结构 磁性质 

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ZnFeO铁氧体、ZnMnFeO铁氧体、MnFeO铁氧体和NiFeO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,ZnFeO铁氧体、ZnMnFeO铁氧体和MnFeO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ZnFeO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ZnMnFeO铁氧体和MnFeO铁氧体仍保持尖晶石型结构,但与ZnFeO铁氧体相比,其晶胞体积增大,结构的稳定性减弱。ZnMnFeO铁氧体和MnFeO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,ZnFeO铁氧体、MnFeO铁氧体和ZnMnFeO铁氧体的总磁距呈现出先增大后减小的趋势。计算还得出,ZnMnFeO铁氧体的磁距(7.41μB)大于锰铁氧体(4.99μB)和镍铁氧体(1.92μB)的磁距。电子态密度分析表明,在ZnMnFeO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ZnMnFeO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NiFeO铁氧体的计算表明,NiFeO铁氧体是一种半金属,与ZnFeO铁氧体相比,其结构稳定性好。NiFeO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。

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