鈷鎢納米合金團簇的結構設計與電磁性質研究.pdf

1、納米磁性合金團簇以其優(yōu)異的電磁學性質，在高密度存儲、光學器件開發(fā)、磁制冷、以及生物醫(yī)藥等領域有著廣泛的應用前景，一直備受眾多研究者的關注。特別是，不含稀土或貴金屬元素類的硬磁合金—鈷鎢合金，其不但具有優(yōu)質的磁學性能，而且不受有限資源的限制，具有巨大的研發(fā)和利用潛力。實驗發(fā)現，鈷鎢合金處于納米級別時表現出很高的磁飽和強度、各向異性能和較大的矯頑力、以及很好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)良特性，具有作為磁性納米材料在極端條件下使用的潛力。為深入理解鈷鎢納

2、米合金的生長機理與磁作用機制，進而提升它們的電磁性能，加快在磁性領域的應用，迫切需要掌握其幾何結構特點、電子結構性質、物理化學穩(wěn)定性和磁性質。本文根據塊體合金元素的比例成份，設計了系列球形的(Co9W3)n(n=1,4,12)納米團簇，并利用密度泛函理論(DFT)框架下的廣義梯度近似方法(GGA)與PW91交換關聯勢，研究了納米團簇的結構穩(wěn)定性和電磁性質，具體內容如下：
　　1)結構設計與穩(wěn)定性研究
　　基于Co3W塊體的結

3、構構型，根據納米體系的半徑長度和元素的化學計量比，依次切割出了12、48、144原子的球形納米團簇，該類納米結構體系中保留有部分短程有序性（SRO）。進一步的DFT理論優(yōu)化計算表明，隨著團簇尺寸的逐漸增加，納米球的表面鍵長逐漸遲豫增加，理論鍵長值與實驗符合較好，納米球的穩(wěn)定性逐漸增大，束縛能有外延至塊體結合能的趨勢。分析差分密度電荷、HOMO和LUMO圖像，發(fā)現電荷集中在Co原子附近；Bader電荷布局分析顯示，W原子電子數目減少，Co

4、原子電子數目增多，表明了W原子的電子轉移到Co原子，與實驗結果相一致。
　　2)電子結構性質與磁學性質研究
　　利用自旋極化和自旋-軌道耦合效應的DFT方法，計算獲得了各個體系的自旋磁矩、軌道磁矩、各向異性能、以及自旋-軌道耦合效應對體系自旋磁性的影響，掌握了電荷布局數、態(tài)密度DOS(Density Of States)、以及軌道占據等電子結構信息。結果發(fā)現，Co-3d軌道與W-5d軌道發(fā)生了強烈的雜化，W原子在Co原子自旋

5、劈裂帶的影響下發(fā)生自旋劈裂，使W原子呈現出與Co原子反鐵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的軌道磁矩)，而W原子具有0.04-0.184μB的自旋磁矩(0.003-0.224μB的軌道磁矩)；改變體系的成分比例后計算發(fā)現，Co原子的平均磁矩隨體系中W原子含量的增加(或Co原子含量的減小)而減小，與實驗觀測規(guī)律相一致；我們所研究的納米體系，Co3W納米團簇具有0.049-0.133