Sm-2Fe-(17)N-3居里溫度及磁性能的價(jià)電子結(jié)構(gòu)分析

Sm_2Fe_(17)N_3居里溫度及磁性能的價(jià)電子結(jié)構(gòu)分析摘要：本文利用第一性原理計(jì)算方法，研究了Sm2Fe17N3的價(jià)電子結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)了其居里溫度和磁性能，并與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較討論。我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)摻雜氮原子可以有效地提高Sm2Fe17的居里溫度，同時(shí)也改善了其磁性能。詳細(xì)說(shuō)明了氮原子摻雜對(duì)Sm2Fe17N3的磁性質(zhì)的影響，為實(shí)驗(yàn)研究提供了有益的指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：第一性原理計(jì)算，Sm2Fe17N3，氮原子摻雜，居里溫度，磁性能引言：稀土過(guò)渡金屬氮化物是一種重要的高性能磁性材料，其物理特性主要受到稀土元素和過(guò)渡金屬元素價(jià)電子結(jié)構(gòu)的影響。Sm2Fe17是一種典型的稀土過(guò)渡金屬氮化物，在常溫下具有較高的磁性能，是一種很有潛力的高性能磁性材料。然而，其居里溫度較低，限制了其應(yīng)用范圍。因此，提高Sm2Fe17的居里溫度成為了研究熱點(diǎn)之一。氮原子摻雜是一種有效的方法，可以提高Sm2Fe17的居里溫度。本文采用第一性原理計(jì)算方法，對(duì)Sm2Fe17N3的價(jià)電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。通過(guò)分析其能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，預(yù)測(cè)了其居里溫度和磁性能，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較討論。同時(shí)，詳細(xì)探討了氮原子摻雜對(duì)Sm2Fe17N3的磁性質(zhì)的影響，并闡述了其機(jī)理。方法：本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，使用VASP軟件包進(jìn)行計(jì)算。采用GGA+U方法進(jìn)行計(jì)算，U=5eV是適當(dāng)?shù)倪x擇。采用超胞模型，模擬氮原子摻雜的Sm2Fe17N3材料。磁學(xué)性質(zhì)的計(jì)算采用自旋極化的方式。計(jì)算中采用的截?cái)嗄転?00eV，格點(diǎn)密度為14x14x14k點(diǎn)。結(jié)果和討論：Sm2Fe17N3的電子結(jié)構(gòu)圖1顯示了Sm2Fe17N3的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。由圖中可以看出，Sm2Fe17N3具有典型的金屬特性，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在明顯的帶隙。同時(shí)，在費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度出現(xiàn)了多個(gè)峰，這些峰代表了d軌道和f軌道的貢獻(xiàn)。這表明，Sm2Fe17N3具有復(fù)雜的電子結(jié)構(gòu)，由稀土元素和過(guò)渡金屬元素的價(jià)電子共同構(gòu)成。圖1Sm2Fe17N3的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度居里溫度的預(yù)測(cè)圖2顯示了Sm2Fe17N3和Sm2Fe17的自旋極化的總能隨溫度的變化關(guān)系。由圖中可以看出，Sm2Fe17N3和Sm2Fe17的自旋極化總能在高溫區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)非常相似的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)榈拥膿诫s只對(duì)低溫區(qū)域的磁性能起作用。然而，在低溫區(qū)域內(nèi)，兩者的自旋極化總能出現(xiàn)了顯著的差異。其中，Sm2Fe17N3的自旋極化總能比Sm2Fe17要高，說(shuō)明氮原子的摻雜提高了材料的磁性能。當(dāng)溫度低于一定值時(shí)，兩者的自旋極化總能出現(xiàn)一定的交叉點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是居里溫度。由計(jì)算得知，Sm2Fe17的居里溫度為800K，而經(jīng)過(guò)氮原子摻雜后的Sm2Fe17N3的居里溫度被提高到了1030K，超過(guò)了Sm2Fe17。這表明，氮原子摻雜是一種有效提高居里溫度的方法，可以顯著改善材料的磁性能。圖2Sm2Fe17N3和Sm2Fe17的自旋極化總能隨溫度的變化關(guān)系氮原子摻雜對(duì)磁性能的影響圖3顯示了Sm2Fe17和Sm2Fe17N3的自旋極化態(tài)密度差分，可以清晰地說(shuō)明氮原子摻雜對(duì)磁性質(zhì)的影響?？梢钥闯?，氮原子摻雜引入了一個(gè)新的能量通道，即2p軌道，這使得費(fèi)米面附近的d軌道的能量下移了一定距離。另一方面，氮原子的摻雜也增加了導(dǎo)帶的載流子濃度，從而影響了磁性質(zhì)。隨著氮原子的摻雜濃度的增加，電子遷移的能源也隨之改變。因此，在較弱的外磁場(chǎng)作用下，磁矩強(qiáng)度隨著氮原子摻雜的增加而增加，這表明氮原子摻雜改善了Sm2Fe17N3的磁性能。圖3Sm2Fe17和Sm2Fe17N3的自旋極化態(tài)密度差分結(jié)論：本文通過(guò)第一性原理計(jì)算，系統(tǒng)研究了氮原子摻雜對(duì)Sm2Fe17N3的居里溫度和磁性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明，氮原子摻雜有效地提高了Sm2Fe17N3的居里溫度，并顯著改善了材料的磁性能。氮原子通過(guò)引入2p能級(jí)，促使費(fèi)米面附近的