用第一性原理研究Heusler合金Ni_2MnAl的电子结构、压力响应及柔和四方变形

运用基于密度泛函理论第一性原理的投影扩充波函数(PAW)方法,计算了化学计量Ni2MnAl的晶体结构、磁性、电子结构、压力响应以及柔和四方变形.结果表明:在Ni2MnAl的总磁矩中,Mn原子对总磁矩的贡献最大;在Ni2MnAl的总态密度中,低能部分主要由Al-s的投影态密度决定,高能部分主要由Ni-d,Mn-d和Al-p的投影态密度决定;Ni和Mn原子间存在较强的键合,Al的p态和Mn的d态存在与自旋相关的杂化;在Ni2MnAl的四方变形中,0.95c/a1.10内存在一个变化平缓的能量面.     

Heusler合金Mn2NiAl的电子结构、 磁性质及四方变形的第一性原理

利用基于密度泛函理论的第一性原理, 计算Mn₂NiAl的晶体结构、 四方变形、 磁性、 电子结构和压力响应. 计算结果表明: Mn2NiAl在立方奥氏体相的平衡结构为铁磁态MnMnNiAl型结构, 其中Mn原子占据A和B不等价晶位; 在由立方结构向四方结构的变形中, 在c/a≈1.24处存在一个稳定的马氏体相; 在奥氏体相和马氏体相下, Mn原子对Mn2NiAl总磁矩的贡献最大,  Mn(A)和Mn(B)原子磁矩的值不等并呈反平行耦合, 且Mn(A)-d和Mn(B)-d的投影态密度在费米面附近交叠均较少,     

基于密度泛函理论的L2_1型Ni_2MnGe第一原理计算

运用MaterialsStudio6.0程序CASRTEP软件包建立L21型Ni2MnGe单胞和1×1×5的Ni2.25Mn0.75Ge超胞模型,采用GGA-PBE-TS近似,得出能带结构和态密度曲线。由Ni2MnGe单胞的能带结构和态密度图可以看出自旋向上和自旋向下的能带都没有出现带隙,说明Ni2MnGe单胞具有金属性,在费米能级附近不同自旋能带具有明显差别,从而导致Ni2MnGe具有较大磁性;通过分析1×1×5的Ni2.25Mn0.75Ge超胞的能带结构和态密度图可以得到同样的结论,即Ni2.25Mn0.75Ge具有金属性,在费米能级附近不同自旋能带具有明显差别,从而导致Ni2MnGe具有较大磁性。2种晶体中Ni原子自旋向上和自旋向下的态密度占据量几乎相同,因此Ni原子的磁矩很小,而Mn原子d轨道的电子几乎全部局域在自旋向上的态密度中,因此Mn原子磁矩较大。Ni2.25Mn0.75Ge中Ni(A)与Mn存在p-d杂化,比Ni2MnGe中p-d杂化作用更强,这是由于Ni替换了Mn的缘故。     

团簇Ni4P的催化性质和磁性

以团簇Ni4P作为二元体系Ni-P非晶态合金的局域结构,采用密度泛函理论,在B3LYP/Lanl2dz水平下分别对不同重态下的构型进行优化计算,从HOMO、LUMO轨道贡献、各轨道未成对电子数、磁矩和自旋态密度角度分析发现:Ni、P原子对轨道贡献率受空间结构的影响,但受自旋多重度的影响极小;Ni原子是前线轨道的主要贡献者,P原子对其贡献亦不可忽略,说明催化活性是以Ni原子为主,P原子为辅所提供,且Ni原子最可能为团簇Ni4P的催化活性位点;构型1(4)～2(2)的磁性由d轨道上的自旋向上的α电子贡献,且四重态贡献较二重态更为显著,构型3(4)～3(2)的磁性主要由p轨道贡献;构型1(4)的磁矩分布范围最大,构型2(4)的磁矩分布次之;电子自旋具有不确定性,导致其α、β电子发生部分偏转.     

Heusler合金Mn_2NiAl物性的密度泛函理论研究

基于密度泛函理论架构下的第一性原理方法,对Hg_2CuTi型Mn_2NiAl的能量随四方变形的变化、晶格常数、磁矩、电子态密度、体弹模量等进行了计算.结果表明:i)在四方变形过程中,在c/a接近1及1.24附近各存在一个稳定的状态,分别对应于奥氏体态和马氏体态. ii)在奥氏体和马氏体两态下, Mn_2NiAl的总磁矩主要是由Mn原子提供, A、B晶位Mn原子的磁矩呈现为亚铁磁结构. iii)在奥氏体和马氏体两态下, Mn(A)或Mn(B)原子自旋向上和自旋向下的态密度形成较大的自旋劈裂,产生较大的磁矩.处于不同晶位的两个Mn原子之间的d-d直接交换作用较弱,维持了它们之间的反铁磁耦合,而处于同一晶位的Mn原子之间的铁磁耦合是由Al原子的s电子为媒介的间接交换作用来维持,此即为Mn2NiAl亚铁磁结构形成的机制. iv)Mn_2NiAl的抗压缩性比Ni_2MnGe, Ni_2MnGa和Ni_2MnB的均小.     

磁形状记忆合金Mn_2NiGa的第一性原理计算

Mn_2NiGa磁形状记忆合金立方奥氏体相因在室温下具有可逆马氏体相变,同时居里温度高达588 K,在高温下具有优异的磁热效应,因而在相应的学术领域和应用领域中具有重要的研究价值。掌握Mn_2NiGa磁形状记忆合金的原子占位、结构相变、磁性质和弹性常数是实现Mn_2NiGa合金磁形状记忆性能优化的关键。采用目前国际上较为先进的第一性原理精确Muffin-Tin轨道方法,系统计算研究了0 K下Mn_2NiGa合金立方奥氏体相与四方马氏体相的晶格结构参数、磁矩、弹性常数、电子结构及总能。研究结果表明,Mn_2NiGa合金立方奥氏体相具有Hg_2CuTi型晶格结构,而非传统Ni_2MnGa的L2_1结构;Mn原子是合金总磁矩的主要提供者,且2种Mn原子磁矩呈反平行排列;奥氏体相的剪切模量(C′=(C_(11)-C_(12))/2)小于0,因而低温下立方结构不稳定,可以发生由立方相到四方相的马氏体相变;根据Jahn-Teller效应,低温下四方相相对于立方相的稳定性,主要源于2种Mn和Ni原子分别与Ga原子的共价结合作用。上述理论结果有望为Mn_2NiGa合金性能的进一步优化提供理论指导。     

团簇Ni3CoP电子性质与磁性研究

设计团簇Ni_3CoP模型对非晶态合金Ni-Co-P进行局域结构的模拟,基于密度泛函理论(DFT)并在B3LYP/Lanl2dz水平下运用Gaussian 09程序对其进行结构优化以及有关电子性质与磁性的计算,对所得到的理论数据进行分析.结果表明:团簇Ni_3CoP费米能级左侧的最高峰由Ni-d、Co-d、P-p共振产生,形成了d-d-p杂化的成键轨道,并主要由Ni-d轨道贡献;对于团簇Ni_3CoP内部的电子转移,以P原子提供电子的能力最强,Co原子次之,Ni原子则整体以接受电子为主.团簇Ni_3CoP 3重态下的构型具有磁性,且Ni原子磁矩对团簇总磁矩的贡献较大.分析d轨道的电子自旋态密度图,发现其对称性最不好,这说明其上的成单电子最多,是团簇磁性的主要来源.同时,研究还发现p轨道对团簇磁性的贡献同样不可忽略.     

X掺杂团簇Bn+1(n=1~11; X=Be, Mn)的密度泛函研究

本文利用密度泛函理论对BnX(n=1~11; X=B, Be, Mn)基态结构、稳定性、电子构型与磁性开展了系统研究. 结果表明: 团簇BnX( n=5~11; X=Be, Mn)中的X原子均位于高配位,BnBe的基态构型为多重度为1或2的低重态;团簇BnX的平均结合能均随尺寸的增大而逐渐增大,n取值相同时,Bn+1团簇的平均结合能最高. HOMO-LOMO能隙结果表明, 掺杂铍原子、锰原子有利于提高纯硼团簇的化学活性;团簇BnBe中的Be原子是电荷的受体,团簇BnMn中Mn原子轨道电子表现出显著的spd杂化;团簇BnX (X=B,Be)中的开壳层结构磁矩主要由2p轨道贡献. 团簇BnMn均为开壳层结构,总磁矩主要由Mn3d轨道贡献. 随着团簇BnMn尺寸的增大,Mn原子的配位数增大,B-Mn平均键长增大,Mn3d轨道磁矩减小而导致团簇的总磁矩减小.     

Heusler合金Mn2 NiSi的形状记忆行为和磁性

采用基于密度泛函理论的第一性原理,对 Heusler合金 Mn2 NiSi的电子结构和磁性进行了研究。计算结果表明：从立方结构到四方结构的相变降低了总能量,表明马氏体相是更加稳定的。随着温度的降低, Mn2 NiSi经历了从奥氏体到马氏体的转变,体积几乎不变,表明了该合金具有形状记忆行为。磁基态是亚铁磁,Mn（A）和 Mn（B）磁矩是反平行排列的、并且不等。奥氏体相和马氏体相的总磁矩分别是9．64×10－24 A·m2和2．60×10－24 A·m2。在这两种结构中,Mn（A）和 Mn（B）是 Mn2 NiSi 总磁矩的主要贡献者。根据态密度解释了马氏体相变和磁性的产生。     

R(Fe, Si)12(R=Y, Nd)化合物的电子结构与磁性

介绍了新近发展的基于密度泛函理论的全势能线性缀加平面波((L)APW)+局域轨道(lo)方法, 并对R(Fe, Si)₁₂化合物(R=Y, Nd)作了理论计算. 由结构优化后的单胞总能量分析了Si原子的占位分布, 计算得到并分析了Si原子替代晶位不同引起的原子磁矩、总态密度和局域态密度的变化特点. 结果表明RFe₁₀Si₂化合物(R=Y, Nd)饱和磁矩明显大于同类RFe₁₀M₂化合物(M=Ti, V, Cr, Mn, Mo和W), Si原子在化合物中存在两种杂化机制, Si(8j)原子会同时减小3种晶位Fe原子磁矩, Si(8f )则主要减小Fe(8i)与Fe(8j)原子磁矩. 由Fermi面态密度变化分析认为加入Si原子会大大提高化合物居里温度.     

自由空间中一维W原子链的磁性

应用基于密度泛函理论的第一原理方法,对自由空间中的一维W原子链的磁性进行了计算.得到了考虑自旋轨道相互作用的铁磁,反铁磁以及螺旋磁性结构的一维W原子链的原子磁矩随原子间距的变化及相应的磁学性质,并与不考虑自旋轨道相互作用的情况做了对比.结果发现,原子链的原子磁矩在原子间距的一个小变化范围内有个跃升,最终趋于单原子磁矩;与体材料时不同,稳定的一维W原子链具有磁性,而且反铁磁W原子链的相对稳定性高;轨道磁矩在有近邻原子作用时出现,且极化方向与自旋极化方向相反.最后,也对W一维原子链的电磁性质进行了讨论.     

La_(1-x)Ca_xMnO_3的电子结构与磁有序研究

采用DV-Xa分子轨道法计算了不同掺杂浓度的立方结构钙钛矿La_(1-x)Ca_xMnO_3体系的电子结构,分析了体系磁电特性随钙浓度变化的特征.结果表明:自旋相关的锰3d—氧2p轨道杂化出现在整个体系中.未掺杂体系具有金属型导电性,费米能级处多数自旋子带的态密度高于少数子带.随着掺杂浓度的提高,体系发生金属-半金属相变.与此同时,锰离子磁矩单调降低,与3d带自旋交换劈裂的变化规律一致.掺杂的钙提高了锰3d和氧2p电子波函数的交迭,加强了Mn-O-Mn超交换作用,使CaMnO3呈现G型反铁磁态.LaMnO_3中锰3d和氧2p波函数的交迭最弱,呈铁磁有序.     

钙钛矿结构材料SrHfO3的电子结构研究

在密度泛函理论框架下首先用局域自旋密度近似（LSDA）方法,研究了具有钙钛矿结构的材料SrHfO3的电子结构,发现Sr显示比较明显的离子特性,Hf和O之间由于杂化形成了共价键.得到该化合物的带隙为1.54 eV,磁矩为零.考虑Hf 5d局域电子之间的在位库仑相互作用（即采用LSDA＋U方法进行计算）后,磁矩依然为零,但态密度分布有明显的改变.计算结果表明,该材料中Hf 5d之间的在位库仑相互作用U为8.0 eV.     

ScnN(n=2～12)团簇的磁性和热容量研究

基于第一性原理,在密度泛函理论框架下,用广义梯度近似方法计算了团簇ScnN(n=2～12)的总磁矩Mt、与N原子最近邻的Sc原子的局域磁矩MSc、掺杂原子N的局域磁矩MN.从原子相互作用角度出发,应用统计物理理论,计算了团簇ScnN的磁矩和热容量,研究了它们随温度的变化规律.结果表明:ScnN团簇的磁性与团簇的构型、原子相互作用、磁性粒子间的磁相互作用、团簇中的Sc原子数n有关.总磁矩随Sc原子数n呈波动性变化,当n=3,8,9,11,12时,总磁矩为零,团簇的磁性消失;当n=2,4,5,6,7,10时,团簇表现为铁磁性,其中当n=6时,团簇的磁性最强.ScnN团簇的磁矩随温度升高而减小,其变化趋势与块状磁体类似.温度较低时,磁相互作用产生的热容量CM随温度升高而增大,在某温度附近取极大值;原子相互作用产生的热容量CV在温度较低时与温度成正比,和块状磁体的CV与温度的三次方成正比不同;在对团簇的热容量的贡献中,原子相互作用占主要.     

Determination of electron orbital magnetic moments in carbon nanotubes

The remarkable transport properties of carbon nanotubes (CNTs) are determined by their unusual electronic structure. The electronic states of a carbon nanotube form one-dimensional electron and hole sub-bands, which, in general, are separated by an energy gap. States near the energy gap are predicted to have an orbital magnetic moment, mu(orb), that is much larger than the Bohr magneton (the magnetic moment of an electron due to its spin). This large moment is due to the motion of electrons around the circumference of the nanotube, and is thought to play a role in the magnetic susceptibility of CNTs and the magnetoresistance observed in large multiwalled CNTs. But the coupling between magnetic field and the electronic states of individual nanotubes remains to be quantified experimentally. Here we report electrical measurements of relatively small diameter (2-5 nm) individual CNTs in the presence of an axial magnetic field. We observe field-induced energy shifts of electronic states and the associated changes in sub-band structure, which enable us to confirm quantitatively the predicted values for mu(orb).     

抗磁质的磁化机理

本文从讨论抗磁质分子磁矩的构成出发,重点分析外磁场使电子轨道角速度发生变化,因而改变轨道磁矩,使激发的抗磁质分子磁矩方向与外磁场方向相反。最后对超导体抗磁效应的特点作了简要的说明。这篇文章是作者在教学中处理教材的一点体会。     

Pt-Ni合金团簇的结构与磁性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算程序包VASP(Vienna ab-initio Simulation Package)对Pt13,Ni13及Pt-Ni合金二十面体团簇进行了计算机模拟研究.研究表明,Pt13和Ni13团簇显现出完美的Ih(正二十面体)对称性,Pt13团簇的磁矩为2.13μB,Ni13团簇的平均原子磁矩也比其体块的原子磁矩有所增大.对Pt-Ni合金团簇,Pt原子倾向于偏析到团簇表面,团簇的平均最近邻键长随着Ni原子数目的增多而单调减小,总磁矩可通过Ni含量的变化而进行调制.     

伽利略卫星的内部结构模型以及平衡形状参数

木星的４颗大卫星都是同步轨旋卫星，常被称为伽利略卫星．美国发射的伽利略飞船自１９９５年１２月抵达木星系统后，近几年来对木星的４颗伽利略卫星进行了一系列的探测．利用飞船探测的最新资料（参看表１）作为约束条件，建立了伽利略卫星的一组内部结构模型（参看表３～６）；然后按照同步轨旋卫星的形状理论公式计算了它们的平衡形状参数（参看表７），以木卫一为例，其三轴椭球体的 ３个油分别是 １８３０．７３，１８１９．８９和 １８１６．２７ ｋｍ；最后，将计算结果与已有的研究结果作了比较和讨论．     

ZnCr_(2-x)Fe_xO_4系列化合物的合成及其性质表征

采用固相法合成了尖晶石结构的ZnCr2O4以及铁取代的系列尖晶石结构化合物,利用X线衍射、红外光谱和磁性测量对该系列化合物进行了表征.结果表明:这些化合物属于面心立方,空间群为Fd 3m,晶胞参数a=0.832 4～0.835 6nm,并且晶胞参数随着掺铁量增大而增加.红外光谱中出现了四面体和八面体吸收峰,而且这2种多面体的吸收峰的波数随着铁含量增加逐渐向低波数方向线性移动.系列化合物的磁矩随磁场的增大而增加,其饱和磁化强度与各向异性场随着铁掺入量增加呈现相反的变化.自发磁化强度随晶粒增大而近乎线性减小.各向异性场的测定表明ZnCr2O4属于软磁性化合物.