基于第一性原理對SmCo 納米團簇磁性的研究

鄭燕飛

（西南大學物理科學與技術學院，重慶400715）

1 概述

納米團簇（nanoclusters），是由幾個或者上千萬個原子或分子通過化學或物理的相互作用力結合在一起形成相對穩定的集合體。有人認為團簇是介于微觀粒子以及宏觀物質之間的新的物質結構[1]。目前人們對團簇的研究興趣越來越高漲的部分原因是納米團簇材料構成了一種新的物質，在材料應用行業有著很大的發展潛能，它的性質既不同于單個的原子、分子，也不同于塊體物質。另外還有幾個重要的原因是：（1）團簇的性質變化具有量子尺寸效應[2,3,4]。（2）團簇的比表面積大。（3）納米團簇具有小尺寸效應。其實納米團簇的結構和穩定性都會隨著原子尺寸的變化而發生巨大的變化。

近年來，SmCo 合物的磁性材料器磁性和電性之間有趣而顯著的耦合關系而引起了人們的廣泛關注。尤其是含稀土納米團簇的材料方面，具有潛在的重要性。對稀土團簇的研究有利于進一步了解團簇性質的本質，在物理和化學領域都有重要的意義。含稀土元素的納米團簇結構，由于其尺寸和表面效應引起的新型磁性能特性，正成為科學技術研究的熱點。

2 計算方法

本文所有的計算都是采用VASP 程序包進行計算，VASP 程序包是基于密度泛函理論下的平面波贗勢展開對于自旋局域密度泛函理論用迭代自洽的方法求解。所有的計算都在Perdew、Burke Ernzerhof (PBE)版本的交換相關電位的廣義梯度近似(GGA)下進行的[5]。對于平面波基集，我們使用了動能截止為360eV 的投影增廣波(PAW)方法，我們已經使用了這個該軟件的程序[6,7]。該團簇被放置在一個體積為30 埃的大型立方體超晶胞中央，在弛豫過程中保持晶格向量不變，保證了周期像之間的充分分離。通過充分結構弛豫設計出平衡原子合理而穩定的構型，在團簇計算中設置每個原子上的受外為0.01 eV/A，總能量收斂標準為10-5eV。為了提高電子自洽場(SCF)的收斂性，將如何確定電子的部分占據數參數，設置使用費米計算ISMEAR=1,設置展開的寬度為0.2 eV，這樣可以使得含有稀土納米團簇的收斂性更好點。

3 結論與討論

3.1 團簇結構分析

本文研究的納米團簇結構為典型的SmCo 組成的籠狀球形團簇，中間一個Sm 原子被周圍6 個Co 原子包圍，結構為層狀疊加高對稱球狀納米團簇結構，如圖（1）所示：

圖1

為了研究方便定義中間的Sm 原子為第一層Sm，而中間的6 個Co 原子組成的六邊形為第一層Co，本結構為高對稱結構，對稱性為D6H, 對稱主軸為Z 軸，與3 個Sm 原子組成的線共線，從而合理的設計出本文的研究納米團簇結構，使用VASP 軟件進行結構優化，擺放的位置如圖1 右下方所示，通過計算發現中間的Sm 原子為反鐵磁性，磁性最大，而該團簇結構兩端處為鐵磁性的Sm 原子，磁性最小。這樣設計出的納米團簇結構有很大的磁性，是新型高磁性納米復合材料。

3.2 團簇磁性的分析

如圖2 所示的為Sm3Co18 納米團簇中每個原子的平均軌道磁矩、平均自旋磁矩和通過LS 耦合形成的平均磁矩。通過vasp 計算團簇的SOC，設置磁化方向沿x 方向和y 方向，通過計算發現x 方向比y 方向的能量低，因此該納米團簇結構的易磁化軸為x，取易磁化方向的自旋磁矩和軌道磁矩進行磁性分析，從圖2 知，第一層的Sm 原子的自旋磁矩最大，為負值，而軌道磁矩為正值，而第二層的Sm 原子的自旋磁矩和軌道磁矩都比第一層小，說明了Co 的3d 軌道與Sm 的4f 軌道發生了相互耦合，導致第二層Sm 的磁性降低，另個原因是計算軌道磁矩和各向異性必須要考慮相對論的效應。更有趣的發現，第一層Co 原子的平均自旋磁矩和平均軌道磁矩都比第二層的Co 原子自選磁矩和軌道磁矩低，更說明了軌道之間存在強相互作用和自選軌道的耦合作用。

圖2

綜上所述，Sm3Co18 是核殼型雙磁納米顆粒能有效改善體系矯頑力和磁能積。在通常情況下，即使是性能優異的硬磁合金，其也要在室溫以上的條件下工作，高溫熱激發將增強硬磁材料的磁化反轉進程從而降低磁體的矯頑力和飽和磁化強度，進而大大降低硬磁體的磁能積[8]，本文研究體系中Sm 原子與Co原子之間存在磁性反轉，相當于引入具有高居里溫度的軟磁材料，并使其包裹在硬磁顆粒外圍，充分結合硬磁相的高矯頑力及軟磁相的高剩磁的優勢。研究SmCo 納米團簇的意義是納米交換彈性磁體因其特有的硬磁- 軟磁交換耦合而能同時擁有高的磁各向異性、飽和磁化強度、最大磁能積，最有潛力發展成為第三代高性能永磁材料，主要應用于電子電工、生物醫學信息技術等領域的巨大潛力。