钴钨纳米合金团簇的结构设计与电磁性质研究

发布时间：2017-07-30 22:03

  本文关键词：钴钨纳米合金团簇的结构设计与电磁性质研究

  更多相关文章： 钴钨团簇 密度泛函理论 电子结构 磁各向异性 电场响应

【摘要】：纳米磁性合金团簇以其优异的电磁学性质,在高密度存储、光学器件开发、磁制冷、以及生物医药等领域有着广泛的应用前景,一直备受众多研究者的关注。特别是,不含稀土或贵金属元素类的硬磁合金—钴钨合金,其不但具有优质的磁学性能,而且不受有限资源的限制,具有巨大的研发和利用潜力。实验发现,钴钨合金处于纳米级别时表现出很高的磁饱和强度、各向异性能和较大的矫顽力、以及很好的化学稳定性等优良特性,具有作为磁性纳米材料在极端条件下使用的潜力。为深入理解钴钨纳米合金的生长机理与磁作用机制,进而提升它们的电磁性能,加快在磁性领域的应用,迫切需要掌握其几何结构特点、电子结构性质、物理化学稳定性和磁性质。本文根据块体合金元素的比例成份,设计了系列球形的??39nWCo(n=1,4,12)纳米团簇,并利用密度泛函理论(DFT)框架下的广义梯度近似方法(GGA)与PW91交换关联势,研究了纳米团簇的结构稳定性和电磁性质,具体内容如下:1)结构设计与稳定性研究基于Co3W块体的结构构型,根据纳米体系的半径长度和元素的化学计量比,依次切割出了12、48、144原子的球形纳米团簇,该类纳米结构体系中保留有部分短程有序性(SRO)。进一步的DFT理论优化计算表明,随着团簇尺寸的逐渐增加,纳米球的表面键长逐渐迟豫增加,理论键长值与实验符合较好,纳米球的稳定性逐渐增大,束缚能有外延至块体结合能的趋势。分析差分密度电荷、HOMO和LUMO图像,发现电荷集中在Co原子附近;Bader电荷布局分析显示,W原子电子数目减少,Co原子电子数目增多,表明了W原子的电子转移到Co原子,与实验结果相一致。2)电子结构性质与磁学性质研究利用自旋极化和自旋-轨道耦合效应的DFT方法,计算获得了各个体系的自旋磁矩、轨道磁矩、各向异性能、以及自旋-轨道耦合效应对体系自旋磁性的影响,掌握了电荷布局数、态密度DOS(Density Of States)、以及轨道占据等电子结构信息。结果发现,Co-3d轨道与W-5d轨道发生了强烈的杂化,W原子在Co原子自旋劈裂带的影响下发生自旋劈裂,使W原子呈现出与Co原子反铁磁排列的弱小磁矩值,Co具有0.398-1.173μB的自旋磁矩(0.018-0.049μB的轨道磁矩),而W原子具有0.04-0.184μB的自旋磁矩(0.003-0.224μB的轨道磁矩);改变体系的成分比例后计算发现,Co原子的平均磁矩随体系中W原子含量的增加(或Co原子含量的减小)而减小,与实验观测规律相一致;我们所研究的纳米体系,Co3W纳米团簇具有0.049-0.133meV/atom的各向异性能,其值接近或超过计算的块体值0.0335meV/atom。基于团簇的磁矩、各向异性能、以及结构稳定性,可以推测小尺寸的Co3W纳米颗粒具有优异的磁学性能,具有在磁存储介质中利用的潜力。
【关键词】：钴钨团簇 密度泛函理论 电子结构 磁各向异性 电场响应
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TG146.16
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-18
• 1.1 磁性材料简介8-11
• 1.1.1 一般磁性材料的分类8-9
• 1.1.2 一般磁性材料的应用9
• 1.1.3 纳米磁性材料的发展9-11
• 1.2 硬磁性材料11-15
• 1.2.1 硬磁性材料的分类11-13
• 1.2.2 硬磁性材料的应用13-14
• 1.2.3 合金硬磁材料的发展及现阶段的研究瓶颈14-15
• 1.3 本文研究的意义，目的及内容15-18
• 1.3.1 本文研究的意义15-16
• 1.3.2 本文研究的目的16
• 1.3.3 本文研究的内容16-18
• 第二章 基础理论和计算方法18-29
• 2.1 多粒子体系的量子力学描述18-19
• 2.2 HARTREE-FOCK近似19-20
• 2.3 密度泛函理论20-25
• 2.3.1 Hobenberg-Kohn定理21
• 2.3.2 Kohn-Sham方程21-23
• 2.3.3 局域密度近似(LDA)和局域自旋密度近似(LSDA)23-24
• 2.3.4 广义梯度近似 (GGA)24-25
• 2.4 自旋-轨道耦合作用25-26
• 2.5 VASP软件简述26-27
• 2.6 DMOL软件简述27-29
• 第三章 钴钨纳米合金团簇的结构设计与电磁性质研究29-50
• 3.1 引言29-31
• 3.2 计算方法31-33
• 3.3 结果与讨论33-49
• 3.3.1 几何结构33-35
• 3.3.2 电子结构35-39
• 3.3.3 磁性分析39-49
• 3.4 结论49-50
• 第四章 总结与展望50-53
• 参考文献53-60
• 致谢60-61
• 攻读硕士学位期间的工作情况61

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