鐵氮化合物的第一性原理研究.pdf

1、鐵氮化合物由于其特殊的組成和結(jié)構(gòu),具有優(yōu)異的鐵磁性能和良好的抗氧化、耐腐蝕、耐磨損性能,是理想的磁記錄介質(zhì)和薄膜磁頭候選材料,同時(shí)還可以作為重要的表面改性材料,受到人們的廣泛關(guān)注。
　　 本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算研究了三種典型鐵氮化合物Fe16N2、Fe4N和Fe3N的結(jié)構(gòu)與性能,重點(diǎn)探討了Fe16N2的相穩(wěn)定性、力學(xué)性能和磁性能,Fe4N的薄膜結(jié)構(gòu)(slab結(jié)構(gòu))和表面特性,Fe3N的電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,最后系

2、統(tǒng)研究了鐵氮化合物結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)聯(lián)。主要結(jié)論如下:
　　 (1)對Fe16N2形成能的計(jì)算表明Fe16N2是熱力學(xué)穩(wěn)定相。電子結(jié)構(gòu)分析表明N原子和最近鄰Fe1、Fe2原子之間存在的較強(qiáng)共價(jià)鍵是由N原子p電子和Fe原子d電子之間的雜化作用而形成的,鍵合強(qiáng)度明顯高于其它原子之間的成鍵。彈性常數(shù)計(jì)算結(jié)果表明Fe16N2具有韌性,是機(jī)械穩(wěn)定的,在a-c晶面內(nèi)彈性各向異性非常顯著。Fe16N2磁性能的計(jì)算表明,考慮Fe原子3d電子之間的庫

3、侖相互作用后,Fe原子平均磁矩增大。Fe16N2不等價(jià)位置Fe原子磁矩差異的主要原因是N原子的間隙插入,使晶格畸變,引起不等價(jià)位置Fe原子與N原子之間的雜化強(qiáng)度不同,不等價(jià)Fe原子自身不同d電子軌道的交互作用發(fā)生改變,導(dǎo)致Fe原子3d自旋電子數(shù)和分布狀態(tài)發(fā)生改變,造成不同位置Fe原子磁矩的差異。
　　 (2)Fe4N(001)表面自由能計(jì)算結(jié)果表明Fe4N(001)表面只以Fe2N終止表面的形式存在。電子結(jié)構(gòu)分析表明價(jià)帶和導(dǎo)帶在

4、費(fèi)米能級處有相當(dāng)部分的交疊,預(yù)示Fe4N薄膜將表現(xiàn)出金屬導(dǎo)電性。此外,由于表面結(jié)構(gòu)弛豫,Fe4N(001)表面的電子結(jié)構(gòu)比塊體Fe4N表現(xiàn)出不同的細(xì)節(jié)特征。Fe4N薄膜厚度與磁性的關(guān)聯(lián)表明Fe原子平均磁矩隨著薄膜(slab)厚度的減小而變小,該差異主要是由于slab結(jié)構(gòu)中第二層的Fe2原子的磁矩變化造成的。
　　 (3)Fe3N電子態(tài)密度計(jì)算表明考慮Fe原子3d電子之間的庫侖相互作用后,費(fèi)米能級處的態(tài)密度值變小,體系更穩(wěn)定。磁性

5、能計(jì)算值表明磁矩的實(shí)驗(yàn)測量值普遍小于理論計(jì)算值,是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測量值的樣品并非純Fe3N相而是ε-FexN(2＜x≤3)混合相。力學(xué)性能計(jì)算結(jié)果表明Fe3N是機(jī)械穩(wěn)定的,且計(jì)算考慮Fe原子3d電子之間的庫侖相互作用后,更能反映體系原子間鍵合作用的本質(zhì),材料的彈性模量和德拜溫度與實(shí)驗(yàn)值更接近。彈性各向異性計(jì)算表明Fe3N只有輕微的剪切各向異性,幾乎沒有壓縮各向異性。
　　 (4)研究了三種典型鐵氮化合物Fe16N2、Fe4N和Fe3N