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RECo5型稀土永磁材料的第一性原理计算
摘 要
稀土永磁材料是二十世纪六十年代以来发展起来的新型功能材料,已在各个领域得到了广泛的应用。
响。
关键词:
稀土永磁材料,RCo5,Cu的掺杂,磁性能
Abstract
Rareearthpermanentmagnethasdevelopedsincethe1960s.Itisanewkindofmaterialinvariousfie
5.
KeyWords:
Rare-earthpermanentmagnets,RCo5,theaddictionofCu,magneticproperties
目 录
引 言
在稀土永磁材料中,虽然现在第三代的钕铁硼有着低廉的成本和较大的磁能积,但其居里温度以及矫顽力的不理想使其很难在将来适应人们对磁性能越来越高的需求。
而钐钴作为第二代永磁材料,虽然价格成本没有钕铁硼有优势,但是其较理想的温度稳定性以及矫顽力使其一直作为军工业主要元器件的原材料之一。
本文综述部分介绍了稀土永磁材料的发展过程和当今的前沿开发与应用,比较了三代永磁材料的差异,强调了钐钴在今后的开发过程中由于其理想的磁性能而对开发新一代稀土永磁材料的指导意义。
由于第三代稀土材料钕铁硼的应用十分广泛且成本低廉,前人对钕铁硼做了大量的研究工作和投入新领域的应用,而钐钴由于其稀有的资源,在信息产业如此发达的今天,可以说钐钴的应用并不像钕铁硼那样炙手可热。
本文以第一性原理计算方法为工具,借助计算机及软件,对第一代1:
5型稀土永磁材料RCo5(R=Sm、Pr、La)进行了晶体结构几何优化、能带结构以及态密度的计算,对计算结果进行分析、比较之后,又在SmCo5中掺入了Cu原子,以观察其对SmCo5磁学性能的影响,对下一代的稀土永磁材料如何解决钕铁硼现有的不足有着显著的指导意义。
1文献综述
1.1纳米晶复合永磁材料的研究发展动态
1.1.1概述
2第一性原理计算方法
2.1什么是第一性原理计算
第一性原理计算(theFirst-principlescalculation),又称为从头计算(theabinitiocalculation),是指从所研究材料的原子组分开始,运用量子力学及其它基本物理规律通过自洽计算来确定材料的几何结构、电子结构、力热学性质和光学性质等材料物性的方法。
它的基本思想是将多原子构成的实际体系理解为由电子和原子核组成的多粒子系统,运用量子力学等基本的物理原理最大限度地对问题进行“非经验”处理[28]。
下面将简要介绍这些第一性原理计算的理论基础和实现方法:
绝热近似、密度泛函理论、局域密度近似、广义梯度近似、平面波及赝势方法。
。
Born-Oppenheimer绝热近似
(2-6)
密度泛函理论
2.2局域密度近似
2.3广义梯度近似
2.4平面波方法
2.5赝势方法
3RCo5(R=Sm、Pr、La)自旋分辨电子结构的第一性原理计算
3.1引言
诸如SmCo5、LaCo5的RECo5(RE=rareearth,稀土)化合物具有相对比较高的居里转变温度和很强的单轴磁晶各向异性。
因此,它们已经成为在工业上有重要应用的磁性材料。
很自然地,人们对它们的磁学性质产生了巨大的兴趣,并在实验上和理论上取得了一些成果[1]。
它们巨大的矫顽力既依赖于实际材料的微观结构也依赖于材料的微观性质,如磁晶各向异性能(magneticanisotropyenergy,MAE)和原子的磁矩。
所以,这些广泛使用的永磁体通常具有一个共同的特点:
利用Fe,Cu和Ni等掺杂材料来提高它们的磁特性。
这些掺杂材料能够产生两相纳米结构以提高晶粒的有序排列,这是要在有限温度下得到较大的矫顽力所必须的[20]。
除此之外,掺杂材料也会影响到材料中原子的磁矩和小晶粒的磁晶各向异性。
在这一章,主要研究微观磁特性的影响。
3.2SmCo5的晶格结构、能带结构和态密度
SmCo5的晶格结构如图3.1所示,它属于空间群NO.191,为P6/mmm对称性。
晶格常数a和c分别为0.5004nm和0.3969nm。
(a)立体图(b)俯视图
图3.1SmCo5的晶格结构
原胞中Co的晶位可以分成两组不同的Wyckoff位置,即具有二重对称度的Co(2c)位和三重对称度的Co(3g)位。
其中处在Co(2c)位上原子的分数坐标为(1/3,2/3,0)和(2/3,1/3,0),处在Co(3g)位上原子的分数坐标为(1/2,1/2,1/2),(1/2,0,1/2)和(0,1/2,1/2)而Sm原子位于坐标为(0,0,0)的1a晶位,处于原子簇的对称中心地位。
本章中的计算机软件对电子结构进行的计算都是运用第一性原理来实现的。
计算中电子与电子间相互作用中的交换相关效应通过广义梯度近似(GGA)的PBE计算方案来处理,电子波函数通过一平面波基矢组扩展,为尽量减少平面波基矢个数,本文采用了超软赝势(Usp)来描述离子实与价电子之间的相互作用势,并选取Sm和Co原子的价电子组态分别为:
Sm4f65s25p66s2,Co原子的价电子取为3d74s2,Sm和2个Co晶位的的自旋态设为up;在倒易的k空间中,平面波截断能量Ecut=380eV,迭代过程中的收敛精度为1×10-6eV/原子。
布里渊区的积分计算采用3×3×4Monkors-Park特殊K点对全Brillouin求和。
能量计算都在倒易空间中进行,为了得到稳定精确的计算结果,笔者先优化晶胞的结构,得到晶胞参数后,再优化其内坐标,在此基础上计算电子特性等性质。
图3.2是SmCo5的自旋分辨的能带结构图,虚线处零点代表费米能。
零点处虚线为费米能级。
图3.2SmCo5自旋分辨的能带结构
图3.3,3.4,3.5分别是SmCo5,Co(3g)和Co(2c),及Sm原子的电子态密度(DOS)曲线。
它的一个明显特点是,在Fermi面处,DOS的主要成分由d电子和Sm的f电子提供。
其中Co3d电子的DOS曲线宽约4.5eV,表明3d电子的扩展性很强。
由于轨道杂化效应,s和P电子对Fermi面附近的DOS也有少量贡献。
Sm的s,p,d,和f电子都发生了不同程度的自旋极化,自旋向下电子能级升高,自旋向上电子的能级降低。
Sm的f自旋向上电子主要成分被局限在Fermi面附近的能级上,带宽约为1.2eV表现出较强的局域性。
在-7.5eV至-15eV和-20eV至-35eV之间出现2个明显的深能级能隙,将总DOS分为属性不同的三部分。
在深能级主要由Sm原子的s和p电子组成。
在费米面主要由f和d电子提供。
特别是在费米面附近,轨道杂化效应强烈;DOS主峰表现了f电子的局域特点。
自旋向下的f电子被推向导带。
图3.3是合金SmC05中Co(3g)晶位和Co(2c)晶位的DOS曲线。
比较2c和3g两种晶位在Fermi面处的DOS曲线可以发现,3g晶位的d电子对DOS的贡献略小于2c晶位,两晶位的曲线基本相似。
有趣的在费米面处的Co的3d电子和Sm的f电子的自旋方向刚好是完全相反,各自几乎是完全自旋极化的。
图3.3SmCo5的分态密度DOS曲线
图3.4SmCo5中Co(2c)和Co(3g)的DOS曲线
图3.4是合金SmCo5中Co(2c)晶位和Co(3g)晶位的DOS曲线。
比较2c和3g两种晶位在费米面处的DOS曲线可以发现,3g晶位的d电子对DOS的贡献略小于2c晶位,两晶位的曲线基本相似。
图3.5SmCo5中Sm的DOS曲线
图3.5是SmCo5晶体中Sm的DOS曲线。
Sm的f电子局域于费米面处。
3.3PrCo5的晶格结构、能带结构和态密度
这也导致了自旋向上的f电子被挤到费米面上7eV的导带处。
这点明显区别于SmCo5中的Sm原子。
3.4LaCo5的晶格结构、能带结构和态密度
LaCo5的晶格结构如图3.11所示,它属于空间群NO.191,为P6/mmm对称性。
晶格常数a和c分别为0.51085nm和0.39667nm。
。
同样的,d电子也几乎没有自旋极化。
4Cu掺杂对SmCo5稀土永磁的电子结构和自旋特性的影响
4.1Sm(CoCu)5的晶体结构
在上一章计算SmCo5的基础上,建立超晶胞,将2c晶位上的Co原子替换为Cu原子,以研究Cu的掺杂对SmCo5电子结构以及自旋特性的影响。
如图4.1所示,(a)为掺杂Cu原子后Sm(CoCu)5的晶体结构立体图,(b)为晶体结构的俯视图,可以看到Cu(2c)晶格在xy平面形成一个六角晶格而Sm处于这个六角晶格之中,另外的Co(3g)晶格形成一个Kagome晶格。
(a)立体图(b)俯视图
图4.1Sm(CoCu)5的晶体结构
在进行能带结构以及态密度的计算之前,同样要先对晶体进行结构优化。
结构优化前后SmCo5晶体结构参数如表4.1所示。
计算结果与所查阅的文献结果基本吻合。
表4.1Sm(CuCo)5优化的晶体结构参数
a(nm)
c(nm)
c/a
V0=0.866abc(A***)
优化前
0.5004
0.3969
0.7932
86.0664
优化后
0.4961
0.3987
0.8037
84.9772
误差
-0.0043
0.0018
-1.0892
从表4.1中,我们可以知道优化后的Sm(CuCo)5结构发生了变化,晶格常数变大了,原子之间的距离也变大了。
4.2Sm(CoCu)5的电子结构及自旋特性
图4.2Sm(CuCo)5的晶体能带结构
图4.2是Sm(CuCo)5的自旋分辨的能带结构图,虚线处零点代表费米能。
零点处虚线为费米能级。
图4.3(a)Sm(CuCo)5的DOS曲线和(b)Sm(CuCo)5的自旋极化曲线
如图4.3所示,由Sm(CuCo)5的DOS曲线可以看出,在费米面附近,同样可以看到轨道杂化效应强烈,DOS的主要成分由d电子和Sm的f电子来提供。
而自旋向上的的d电子和自旋向下的d电子恰好几乎处于同一能级上,所以几乎不能自旋极化。
同时,可以看到在费米面上自旋向上的f电子成为了态密度的主要贡献者,而且很明显地被局限在了费米面的附近,使得自旋向下的f电子被挤到了费米面上14eV的导带处。
而由Sm(CuCo)5的自旋极化曲线可以看出,s,p,d,f电子的上旋和下旋几乎没有一点被抵消的,也就是说,s,p,d,f电子都几乎得到了完全的自旋极化。
(a)(b)
图4.4(a)Sm(CuCo)5和(b)SmCo5中Sm的DOS曲线
再从图4.4来看,SmCo5中掺杂了Cu之后,Sm(CuCo)5和SmCo5中Sm的DOS曲线却基本相似,只是在14eV的导带处有细微的差别。
Sm的f电子在费米面附近仍然是总DOS的主要提供者,这说明Cu替换了部分Co之后,不会影响Sm对于整体磁性能的贡献。
(a)(b)
图4.5(a)Sm(CuCo)5中Co和Cu的DOS曲线;(b)SmCo5中Co的DOS曲线
从图4.5我们可以看到,在没有掺杂Cu之前,2c晶位和3g晶位的上旋和下旋电子分别在-2eV处和费米面处有峰值,都有可观的不同程度的自旋极化,下旋电子在费米面处有一定的局限性。
当Cu替代了部分Co之后,Cu所在的晶位的态密度曲线有了明显的变化,本来位于费米面处的下旋电子的峰值向费米面下移动了3eV左右,Cu的上旋电子和下旋电子刚好几乎处于同一能级,所以也几乎没有自旋极化现象。
同时,Cu的掺杂还使得另一个晶位在费米面处的峰值变得更为平滑了,自旋极化也没有那么强烈,使得其在费米面上的磁性能降低。
5结论
(1)本文采用密度泛函理论GGA的超软赝势能带计算方法,研究了三种RCo5型稀土永磁材料的能带结构与电子特性,分析了Cu的掺杂对SmCo5磁性能的影响。
(2)计算和研究结果表明,RCo5的性质会随着R的不同而有着不一样的表现。
(3)可以预见,第四代的稀土永磁材料其性能定会大大优于现有的第三代稀土材料。
相信在不久的将来,更多更出色的磁性材料将会走进我们的生活,更好地为人类服务。
致 谢
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