學(xué)士學(xué)位論文正文

RECo型稀土永磁材料的第一性原理計(jì)算錯(cuò)誤！未找到5引用源。摘要稀土永磁材料是二十世紀(jì)六十年代以來發(fā)展起來的新型功能材料，已在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。響。關(guān)鍵詞：稀土永磁材料上35,Cu的摻雜，磁性能錯(cuò)誤！未找到引用源。

5錯(cuò)誤！未找到引用源。IIIIAbstract!I錯(cuò)誤！未找到引用源。II:Rareearthpermanentmagnethasdevelopedsincethe1960s.ItisanewkindofmaterialinIIivariousfieI5.裝IKeyWordsRare-earthpermanentmagnetsRCo5，theaddictionofCumagneticproperties錯(cuò)誤！未找到引用源。引言1.1文獻(xiàn)綜述21.1稀土永磁材料的發(fā)展及其在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用.......錯(cuò)誤！未定義書簽。1.1.1概述錯(cuò)誤！未定義書簽。1.1.2稀土資源.錯(cuò)誤！未定義書簽。1.1.3稀土永磁材料的發(fā)展.錯(cuò)誤！未定義書簽。1:5型SmCo5第一代稀土永磁材料.錯(cuò)誤！未定義書簽。2:17型Sm2Co17第二代稀土永磁材料錯(cuò)誤！未定義書簽。1.1.6第三代稀土永磁材-—NdFeB錯(cuò)誤！未定義書簽。1.1.7稀土永磁材料在微特電機(jī)中的應(yīng)用.錯(cuò)誤！未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1.2納米晶復(fù)合永磁材料的研究發(fā)展動(dòng)態(tài)2...\o"CurrentDocument"概述2...1.2.2交換耦合作用.錯(cuò)誤！未定義書簽。1.2.3磁性能的不足及改善.錯(cuò)誤！未定義書簽。2第一性原理計(jì)算方法..2...\o"CurrentDocument"2.1什么是第一性原理計(jì)算2...\o"CurrentDocument"2.2局域密度近似2...\o"CurrentDocument"2.3廣義梯度近似3....\o"CurrentDocument"2.4平面波方法3.…\o"CurrentDocument"2.5贗勢方法3...3RCo5（R=Sm、Pr、La）自旋分辨電子結(jié)構(gòu)的第一性原理計(jì)算3.\o"CurrentDocument"引言3...\o"CurrentDocument"SmCo5的晶格結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度4...\o"CurrentDocument"PrCo5的晶格結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度7...\o"CurrentDocument"3.4LaCo5的晶格結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度74Cu摻雜對SmCo5稀土永磁的電子結(jié)構(gòu)和自旋特性的影響8Sm(CoCu)5的晶體結(jié)構(gòu)&...■4.2Sm(CoCu)5的電子結(jié)構(gòu)及自旋特性9.…'I5結(jié)論1.1....III參考文獻(xiàn)13.…II附錄A15....II引言I在稀土永磁材料中，雖然現(xiàn)在第三代的釹鐵硼有著低廉的成本和較大的磁能積，但-:其居里溫度以及矯頑力的不理想使其很難在將來適應(yīng)人們對磁性能越來越高的需求。而!I釤鉆作為第二代永磁材料，雖然價(jià)格成本沒有釹鐵硼有優(yōu)勢，但是其較理想的溫度穩(wěn)定1性以及矯頑力使其一直作為軍工業(yè)主要元器件的原材料之一。本文綜述部分介紹了稀土II永磁材料的發(fā)展過程和當(dāng)今的前沿開發(fā)與應(yīng)用，比較了三代永磁材料的差異，強(qiáng)調(diào)了釤1鉆在今后的開發(fā)過程中由于其理想的磁性能而對開發(fā)新一代稀土永磁材料的指導(dǎo)意義。II由于第三代稀土材料釹鐵硼的應(yīng)用十分廣泛且成本低廉，前人對釹鐵硼做了大量的I研究工作和投入新領(lǐng)域的應(yīng)用，而釤鉆由于其稀有的資源，在信息產(chǎn)業(yè)如此發(fā)達(dá)的今II天，可以說釤鉆的應(yīng)用并不像釹鐵硼那樣炙手可熱。裝本文以第一性原理計(jì)算方法為工具，借助計(jì)算機(jī)及軟件，對第一代5型稀土永磁II材料RCo5（R=Sm、Pr、La）進(jìn)行了晶體結(jié)構(gòu)幾何優(yōu)化、能帶結(jié)構(gòu)以及態(tài)密度的計(jì)算，I對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、比較之后，又iSmCo5中摻入了Cu原子，以觀察其對SmCo5磁I學(xué)性能的影響，對下一代的稀土永磁材料如何解決釹鐵硼現(xiàn)有的不足有著顯著的指導(dǎo)意I義。I錯(cuò)誤！未找到引用源。線I1文獻(xiàn)綜述1.1納米晶復(fù)合永磁材料的研究發(fā)展動(dòng)態(tài)1.1.1概述II裝2第一性原理計(jì)算方法錯(cuò)誤！未找到引用源。IIIIIIIIIIIII!訂2.1什么是第一性原理計(jì)算II!第一性原理計(jì)算GheFirst-principlescalculation，又稱為從頭計(jì)算theabinitio:calculation），是指從所研究材料的原子組分開始，運(yùn)用量子力學(xué)及其它基本物理規(guī)律II1通過自洽計(jì)算來確定材料的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、力熱學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)等材料物性的線1方法。它的基本思想是將多原子構(gòu)成的實(shí)際體系理解為由電子和原子核組成的多粒子系1I統(tǒng)，運(yùn)用量子力學(xué)等基本的物理原理最大限度地對問題進(jìn)行“非經(jīng)驗(yàn)”處理8］。I1下面將簡要介紹這些第一性原理計(jì)算的理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)方法：絕熱近似、密度泛函II1理論、局域密度近似、廣義梯度近似、平面波及贗勢方法。IIIIITOC\o"1-5"\h\zI_I。IBorn-Oppenheimei絕熱近似11（2-6）I1密度泛函理論II2.2局域密度近似2.3廣義梯度近似2.4平面波方法2.5贗勢方法裝訂!3RCo5（R=Sm、Pr、La）自旋分辨電子結(jié)構(gòu)的第一性原理計(jì)算II!3.1引言IIIi諸如SmC%、京岡的REC%（REnare汕th稀土）化合物具有相對比較高的居|里轉(zhuǎn)變溫度和很強(qiáng)的單軸磁晶各向異性。因此，它們已經(jīng)成為在工業(yè)上有重要應(yīng)用的磁i性材料。很自然地，人們對它們的磁學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了巨大的興趣，并在實(shí)驗(yàn)上和理論上取ii得了一些成果n。它們巨大的矯頑力既依賴于實(shí)際材料的微觀結(jié)構(gòu)也依賴于材料的微::觀性質(zhì)，如磁晶各向異性能MagneticanisotropyenergyMAE）和原子的磁矩。所I以，這些廣泛使用的永磁體通常具有一個(gè)共同的特點(diǎn)：利罪，Cu和Ni等摻雜材料i來提高它們的磁特性。這些摻雜材料能夠產(chǎn)生兩相納米結(jié)構(gòu)以提高晶粒的有序排列，這I是要在有限溫度下得到較大的矯頑力所必須的］。除此之外，摻雜材料也會(huì)影響到材料!中原子的磁矩和小晶粒的磁晶各向異性。ii在這一章，主要研究微觀磁特性的影響。

3.2SmCo5的晶格結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度SmCo5的晶格結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，它屬于空間群NO.191,^P6/mmm對稱性。晶格常數(shù)a和c分別為0.5004nm和0.3969nm。(b)俯視圖圖(b)俯視圖圖3.1SmCo5的晶格結(jié)構(gòu)原胞中Co的晶位可以分成兩組不同的Wyckoff位置，即具有二重對稱度的Co(2c)位和三重對稱度的Co(3g)位。其中處在Co(2c)位上原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為(1/3,2/3,0)和(2/3,1/3,0)處在Co(3g)位上原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為1/2,1/2,1/2),(1/2,0,1/2)和(0,1/2,1/2)而Sm原子位于坐標(biāo)為0，0，0)的1a晶位，處于原子簇的對稱中心地位。本章中的計(jì)算機(jī)軟件對電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行的計(jì)算都是運(yùn)用第一性原理來實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算中電子與電子間相互作用中的交換相關(guān)效應(yīng)通過廣義梯度近似GA)的PBE計(jì)算方案來處理，電子波函數(shù)通過一平面波基矢組擴(kuò)展，為盡量減少平面波基矢個(gè)數(shù)，本文采用了超軟贗勢(Usp)來描述離子實(shí)與價(jià)電子之間的相互作用勢，并選取m和Co原子的價(jià)電子組態(tài)分別為：Sm4f65s25p66s2Co原子的價(jià)電子取為3d74s2,Sm和2個(gè)Co晶位的的自旋態(tài)設(shè)為up；在倒易的k空間中，平面波截?cái)嗄芰縀cut=380eV，迭代過程中的收斂精度為1X10-6eV/原子。布里淵區(qū)的積分計(jì)算采用3X3X4Monkors-Park特殊K點(diǎn)對全Brillouin求和。能量計(jì)算都在倒易空間中進(jìn)行，為了得到穩(wěn)定精確的計(jì)算結(jié)果，筆者先優(yōu)化晶胞的結(jié)構(gòu)，得到晶胞參數(shù)后，再優(yōu)化其內(nèi)坐標(biāo)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算電子特性等性質(zhì)。

圖3.2是SmCo5的自旋分辨的能帶結(jié)構(gòu)圖，虛線處零點(diǎn)代表費(fèi)米能。零點(diǎn)處虛線為費(fèi)米能級。圖3.3,3.4,3.5分別是SmCo5,Co(3g)和Co(2c)，及Sm原子的電子態(tài)密度(DOS)曲線。它的一個(gè)明顯特點(diǎn)是，，在FZrmi面處，DoS的主要成分由d電子和Sm的f電子提供。其中Co3d電子的DOS曲線寬約4.5eV,表明3d電子的擴(kuò)展性很強(qiáng)。由于軌道雜化效應(yīng)，s和P電子對Fermi面附近的DOS也有少量貢獻(xiàn)。Sm的s,p,d,和f電子都發(fā)生了不同程度的自旋極化，自旋向下電子能級升高，自旋向上電子的能級降低。Sm的f自旋向上電子主要成分被局限iFermi面附近的能級上，帶寬約為L.2eV表現(xiàn)出較強(qiáng)的局域性。在7.5eV至-15eV和-20eV至-35eV之間出現(xiàn)2個(gè)明顯的深能級能隙，將總DOS分為屬性不同的三部分。在深能級主要由m原子的s和p電子組成。在費(fèi)米面主要由f和d電子提供。特別是在費(fèi)米面附近，軌道雜化效應(yīng)強(qiáng)烈DOS主峰表現(xiàn)了f電子的局域特點(diǎn)。自旋向下和電子被推向?qū)?。圖3.3是合金SmC05中Co(3g)晶位和Co(2c)晶位的DOS曲線。比較2c和3g兩種晶位在Fermi面處的DOS曲線可以發(fā)現(xiàn)，3g晶位的d電子對DOS的貢獻(xiàn)略小于2c晶位，兩晶位的曲線基本相

似。有趣的在費(fèi)米面處的京的3d電子和Sm的f電子的自旋方向剛好是完全相反，各自幾乎是完全自旋極化的。10501050-5-10-supsdownpuppdowndupddwon~~fupfdown-40-30-20-10010Energy(eV)圖3.3SmCo5的分態(tài)密度DOS曲線10321o12---Lve/snorrcelpLSODCo10321o12---Lve/snorrcelpLSODCo(2c)supsdownPuppdowndupddwonfupfdownCo(3g)—sysdownpuppdowdupddwcfupfdow-10-5051015-■----H--32101-Lve/snorrceTe-csoD0510Energy(eV)15Energy(eV)圖3.4SmCo5中Co(2c)和Co(3g)的DOS曲線SmsupsdownPuppdowndupddwonfupfdown圖3.4是合金SmCo5中Co(2c)晶位和Co(3g)晶位的DOS曲線。比較2c和3gSmsupsdownPuppdowndupddwonfupfdown40-4-8--40-30-20-10010Energy(eV)圖3.5SmCo5中Sm的DOS曲線圖3.5是SmCo5晶體中Sm的DOS曲線。Sm的f電子局域于費(fèi)米面處。3.3PrCo5的晶格結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度這也導(dǎo)致了自旋向上艇電子被擠到費(fèi)米面上7eV的導(dǎo)帶處。這點(diǎn)明顯區(qū)別于SmCo5中的Sm原子。3.4LaCo5的晶格結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度LaCo5的晶格結(jié)構(gòu)如圖3.11所示，它屬于空間群NO.191，^P6/mmm對稱性。晶格常數(shù)a和c分別為0.51085nm和0.39667nmo。同樣的，d電子也幾乎沒有自旋極化。4Cu摻雜對SmCo5稀土永磁的電子結(jié)構(gòu)和自旋特性的影響4.1Sm(CoCu)5的晶體結(jié)構(gòu)在上一章計(jì)算SmCo5的基礎(chǔ)上，建立超晶胞，將^晶位上的Co原子替換為Cu原子，以研究6的摻雜對SmCo5電子結(jié)構(gòu)以及自旋特性的影響。如圖.1所示，(a)為摻雜Cu原子后Sm(CoCu).的晶體結(jié)構(gòu)立體圖，6)為晶體結(jié)構(gòu)的俯視圖，可以看到Cu(2c)晶格在xy平面形成一個(gè)六角晶格^m處于這個(gè)六角晶格之中，另外的Co(3g)晶格形成一個(gè)Kagome晶格。圖4.1Sm(CoCu)5的晶體結(jié)構(gòu)在進(jìn)行能帶結(jié)構(gòu)以及態(tài)密度的計(jì)算之前，同樣要先對晶體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后SmCo5晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4.1所示。計(jì)算結(jié)果與所查閱的文獻(xiàn)結(jié)果基本吻合。表4.1Sm(CuCo］優(yōu)化的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)a(nm)c(nm)c/aV0=0.866abc(A***)優(yōu)化前0.50040.39690.793286.0664優(yōu)化后0.49610.39870.803784.9772誤差-0.00430.0018-1.0892從表4.1中，我們可以知道優(yōu)化后的Sm(CuCo*結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，晶格常數(shù)變大了，原子之間的距離也變大了。4.2Sm(CoCu)5的電子結(jié)構(gòu)及自旋特性1alpha1beta1alpha1beta圖4.2Sm(CuCo)5的晶體能帶結(jié)構(gòu)圖4.2是Sm(CuCo*的自旋分辨的能帶結(jié)構(gòu)圖，虛線處零點(diǎn)代表費(fèi)米能。零點(diǎn)處虛線為費(fèi)米能級。線kr--r05051-線kr--r05051-hve/snorTcerecsoDsupsdowpuppdowdupddwofupfdow505-Lve/snorTcere(soD40-20Energy(eV)"(>-40-2002040圖4.3(a)Sm(CuCo)5的DOS曲線和(b)Sm(CuCo)5的自旋極化曲線如圖4.3所示，由Sm(CuCo)5的DOS曲線可以看出，在費(fèi)米面附近，同樣可以看到軌道雜化效應(yīng)強(qiáng)烈，DOS的主要成分由d電子和Sm的f電子來提供。而自旋向上的的d電子和自旋向下的d電子恰好幾乎處于同一能級上，所以幾乎不能自旋極化。同時(shí)，可以看到在費(fèi)米面上自旋向上的電子成為了態(tài)密度的主要貢獻(xiàn)者，而且很明顯地被局限在了費(fèi)米面的附近，使得自旋向下的電子被擠到了費(fèi)米面上14eV的導(dǎo)帶處。而由Sm(CuCo)5的自旋極化曲線可以看出，s，p，d，f電子的上旋和下旋幾乎沒有一點(diǎn)被抵消的，也就是說，s，p，d，f電子都幾乎得到了完全的自旋極化。Sn(CuiICo)51sup一sdown—puppdown2Sn(CuiICo)51sup一sdown—puppdown2dup一ddwcr2fupfdowni-40-20020Energy(eV)bve/snorrcerecsoD28-4----o4-.bve/snorTberecsoDSnCo_?_sup5-sdown一Puppdown-dup11ddownIufup-fdown-2002040Energy(eV)40-40圖4.4(a)Sm(CuCo)5和(b)SmCo5中Sm的DOS曲線再從圖4.4來看，SmCo5中摻雜了Cu之后，Sm(CuCo).和SmCo5中Sm的DOS曲線卻基本相似，只是在14eV的導(dǎo)帶處有細(xì)微的差別oSm的f電子在費(fèi)米面附近仍然是總DOS的主要提供者，這說*u替換了部分Co之后，不會(huì)影響Sm對于整體磁性能的貢獻(xiàn)。

-2-41itVv?￡.VV_Cu(2c)up2Cu(2c)dowi二Co(3g)up1'-2-41itVv?￡.VV_Cu(2c)up2Cu(2c)dowi二Co(3g)up1'Co(3g)doWiTSm(CoCu)52-0」-8-4EneOgy(eV)48Lve/snorrcawleLSOD2Cu(2c)upCu(2c)do\Co(3g)upCo(3g)do\-4048Energy(eV)SmCo5圖4.5（a）Sm（CuCo）5中Co和Cu的DOS曲線；（b）SmCo5中Co的DOS曲線從圖4.5我們可以看到，在沒有摻雜Cu之前，2c晶位和3g晶位的上旋和下旋電子分別在-2eV處和費(fèi)米面處有峰值，都有可觀的不同程度的自旋極化，下旋電子在費(fèi)米面處有一定的局限性。當(dāng)Cu替代了部分Co之后，Cu所在的晶位的態(tài)密度曲線有了明顯的變化，本來位于費(fèi)米面處的下旋電子的峰值向費(fèi)米面下移動(dòng)釜V左右，Cu的上旋電子和下旋電子剛好幾乎處于同一能級，所以也幾乎沒有自旋極化現(xiàn)象。同時(shí)Cu的摻雜還使得另一個(gè)晶位在費(fèi)米面處的峰值變得更為平滑了，自旋極化也沒有那么強(qiáng)烈，使得其在費(fèi)米面上的磁性能降低。5結(jié)論（1）本文采用密度泛函理論GGA的超軟贗勢能帶計(jì)算方法研究了三種RCo5型稀土永磁材料的能帶結(jié)構(gòu)與電子特性，分析工u的摻雜對SmCo5磁性能的影響。（2）計(jì)算和研究結(jié)果表明，RCo5的性質(zhì)會(huì)隨著R的不同而有著不一樣的表現(xiàn)。（3）可以預(yù)見，第四代的稀土永磁材料其性能定會(huì)大大優(yōu)于現(xiàn)有的第三代稀土材料。相信在不久的將來，更多更出色的磁性材料將會(huì)走進(jìn)我們的生活，更好地為人類服務(wù)。致謝錯(cuò)誤！未找到引用源。錯(cuò)誤！未找到引用源。參考文獻(xiàn)周壽增.稀土永磁材料及其應(yīng)用北京科技大學(xué)1989年1月JanF.Herbst,JohnJ.Croat,andFrederick.Einkerton.RelationshipsBetweenCrystalStructureandMagneticPropertiesinNd2Fe14BPhysRevB,1984,29.4176楊大偉.稀土永磁材料及電機(jī)發(fā)展概況徽電機(jī)，1994.2解竹青，張繼松稀土永磁材料在微特電機(jī)中的應(yīng)用磁性材料及器件，2005.2⑸CoehoornR,Demooij,DB,DuchateauJPWBetal.JdePhyscSuppplement[J],1988,49：669SkomskiR,CoeyJMDPhysRevB[J],1993,48:15812SkomskiRJApplPhys.[J],1994,76(10):7059HerzerGIEEETrans.onMag.,1990,26:1397~1402GrossingerR,DahlgrenMPhysicalB.Rev,1998,246?247:213?219KnellerEFandCoeyJMDPhyjRev,1993,B48:15812?15816KnellerEFandHawigRIEEETrans.onMag.,1991,27:3588?3593SchreflT,FidlerJandKronmullerJPhys.Rev.,1994,B49:6100~6110FukunagaHandInoueH.JpnJ.Appl.Phys.,1992,31:1347~1352初業(yè)隆，熊良鉞，孫校開金屬學(xué)報(bào)，1998,34(4)：423~430LeineweberTKronmulerH.[J]JMagnMagnMater,1997,176:145RaveW,RamstuckK[J.]JMaganMaganMater,997,171:69FisherR,SchreflTKronmulerHFidlerJ.[J]JMaganMaterW.Liua,Z.D.Zhang,J.P.Liu,X.Z.Li,X.K.Sun,D.J.SellmyStructureandmagneticpropertiesofsputtered(Nd,Dy)(Fe,Co,Nb,B)5.5/M.(M=FeCo,Co)multilayerMagnetJ.Appl.Phys.,2002.91:0021?8979M.BornandJ.R.OppenheimeiZurQuantentheoriederMolekelnAnn.Phys.,927,84:457.P.HohenbergandW.KohnInhomogeneousElectronGasPhys.Rev.B,1964,136:864.W.KohnandL.J.S