基于第一性原理的Heusler合金磁性、力学性能研究

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基于前人的研究和总结,提出了一种新型的半金属性Heusler合金Fe Cr As,并使用第一性原理计算软件CASTEP进行了自旋极化的密度泛函理论计算,确定了Fe Cr As合金在Half-Heusler结构下的晶格常数。计算了各元素在其半金属性下起的作用,以及带隙的形成,确定了其总磁矩,并进行了理论验证。研究了其保持半金属性质的晶格畸变范围,确定了这种合金能够保持优秀的半金属性稳定性,结果显示Fe Cr As合金能够在较大的晶格畸变范围保持其百分之百的自旋极化率。在计算过程中,我们基于配合物的晶体场中的能级分裂理论研究了Fe原子在晶胞中的作用,并且发现之所以能够发生能级分裂跟Fe元素的d态分布有关。经计算,Half-Heusler相的Fe Cr As化合物是一种新型的半金属性Heusler合金。最后对其做了力学性能分析,基于弹性常数计算出的体积模量、剪切模量、杨氏模量以及泊松比的结果,显示半金属性Heusler合金Fe Cr As是一种脆性材料。声子谱并无虚频,说明这种合金的晶胞能够稳定存在。此外,我们还探究了掺杂Co元素对原始Heusler合金的磁矩影响。为了研究富Mn条件下Heusler合金Cu2-xCoxMn1+yAl1-y中Co和Mn原子的反铁磁耦合,我们的基础研究对象是只含有一种磁性原子的Cu2Mn Al和富Mn条件下保持铁磁性的Co2Mn Al。经过大量计算发现,由于Co原子的d带中心高于Cu原子的d带中心,Mn原子的反键态被推到费米能级以上,从而改变了Mn原子的d轨道电子排列,电子由高自旋排列转化成低自旋排列,使原来的合金从反铁磁性变成铁磁性。基于这一理论,提出了通过对合金施加应力来调整晶格尺寸来改变Mn原子磁矩的方法,以达到掺杂特殊原子的效果,理论计算结果显示这种方法是可行的。此外,还推测母相的铁磁性和马氏体相的铁磁性与晶格尺寸变化引起的d带中心密切相关。关于合金的带隙形成以及磁矩变化的一系列研究工作,为其他研究人员提供了重要的参考依据。
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