曾灝憲,王秀杰,郭 鵬

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

鐵磁成分變化對(duì)復(fù)合型多鐵性材料磁電效應(yīng)的影響

曾灝憲,王秀杰,郭 鵬

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

利用密度泛函方法計(jì)算鐵電體和3d過(guò)渡金屬的復(fù)合薄膜在鐵磁組分改變下磁電效應(yīng)的變化,以期尋找到具有更大磁電效應(yīng)的鐵磁鐵電成分組合.

多鐵性材料;鐵磁成分變化;第一性原理

多鐵性材料對(duì)于現(xiàn)代科技的發(fā)展有重要的意義,特別是在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景.先前人們認(rèn)為磁化強(qiáng)度和極化強(qiáng)度可以獨(dú)立地在一個(gè)單獨(dú)的多鐵體單元里編碼信息,四態(tài)記憶現(xiàn)在已經(jīng)被論證了,但實(shí)際中這2種有序參量很有可能耦合.理論上耦合能夠允許以電來(lái)改寫數(shù)據(jù),以磁來(lái)讀取數(shù)據(jù).這是很吸引人的,它使我們能夠探詢出鐵電隨機(jī)存取記憶(FeRAM)和磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最優(yōu)越的方面,同時(shí)避免了讀取FeRAM和需要很大的局域磁場(chǎng)來(lái)擦寫數(shù)據(jù)的問(wèn)題,進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)高密度、小體積、易攜帶、高速度的信息存儲(chǔ)及相關(guān)智能材料的應(yīng)用邁出了堅(jiān)實(shí)的步伐.由于磁電多鐵性材料存在的應(yīng)用前景和豐富的物理內(nèi)涵,此類功能性材料引發(fā)了國(guó)內(nèi)外科研人員的濃厚興趣.

1 基本理論和計(jì)算方法

鐵電和鐵磁共存的多鐵性材料是當(dāng)今研究最多的功能性材料.外加磁場(chǎng)作用時(shí),產(chǎn)生自發(fā)磁化的重排,外加電場(chǎng)作用時(shí),產(chǎn)生自發(fā)極化的重排;外加應(yīng)力時(shí),產(chǎn)生自發(fā)形變的重排;基于這些特殊的性能,多鐵性材料可以制成多態(tài)記憶元、電場(chǎng)控制的電磁共振裝置和磁場(chǎng)控制的壓電傳感器.

通過(guò)第一性原理的計(jì)算就可以了解鐵電—鐵磁多層材料中一個(gè)產(chǎn)生磁電效應(yīng)的未知的物理結(jié)構(gòu).鐵電—鐵磁界面的一個(gè)連接鍵的改變產(chǎn)生了這種結(jié)構(gòu)來(lái)源,即界面處的磁化強(qiáng)度在電偶極矩轉(zhuǎn)向時(shí)發(fā)生變化.以CO/BaTiO3多層材料為典型例子,研究發(fā)現(xiàn)在界面兩側(cè)的Co、Ti原子的磁偶極矩有很大的區(qū)別,通過(guò)相應(yīng)臨近的電偶極矩的方向來(lái)區(qū)分這種不同.

密度泛函理論在物理和化學(xué)上都有廣泛的應(yīng)用,特別是用來(lái)研究分子和凝聚態(tài)的性質(zhì),即研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法[1-3].通過(guò) Kohn-Sham方法實(shí)現(xiàn)密度泛函理論最普遍的應(yīng)用,在此框架中,由于處在一個(gè)外部靜電勢(shì)中的電子相互作用而產(chǎn)生的多體問(wèn)題簡(jiǎn)化為一個(gè)沒有相互作用的電子在有效勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題.最簡(jiǎn)單的近似求解方法為局域密度近似(LDA).LDA使用均勻電子氣來(lái)計(jì)算體系的交換能的精確求解,而采用對(duì)自由電子氣進(jìn)行擬合的方法處理相關(guān)能部分.

2 復(fù)合結(jié)構(gòu)的分析及磁電耦合系數(shù)的計(jì)算

2.1 BaTiO3-Co復(fù)合結(jié)構(gòu)的分析及磁電耦合系數(shù)

的計(jì)算

我們首先來(lái)探討B(tài)aTiO3-Co的磁電性質(zhì),它是一類典型的復(fù)合多鐵性功能材料,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.模擬計(jì)算時(shí),計(jì)算體系選擇的有18個(gè)Co原子、6個(gè)Ba原子、7個(gè) Ti原子和20個(gè)O原子.進(jìn)行模擬計(jì)算后能夠得出每個(gè)原子的磁矩.

圖1 BaTiO3-Co的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 Ti原子態(tài)密度圖

圖2所示為 Ti原子態(tài)密度圖.從圖2中上下界面的Ti原子的態(tài)密度圖中可以明顯看出上界面的 Ti原子磁矩大于下界面的 Ti原子(負(fù)號(hào)僅代表方向).這是由BaTiO3的極化強(qiáng)度所引起的.A曲線為下界面Ti原子,B曲線為上界面 Ti原子.從圖2中可以看出上界面的 Ti原子自旋向下的狀態(tài)在費(fèi)米能級(jí)(圖2中能量零點(diǎn)處)附近比下界面 Ti原子更多,這加劇了自旋向下與自旋向上的態(tài)密度的不對(duì)稱性.而自旋向下與自旋向上的電子態(tài)不相等是一個(gè)原子是否有磁矩的根本原因.由于在BaTiO3中存在垂直向上的極化強(qiáng)度,在極化強(qiáng)度的作用下使得 Ti原子向上界面移動(dòng),上界面的Co-Ti鍵長(zhǎng)逐漸變短,Co和 Ti的相互作用變得更強(qiáng),Co和 Ti之間雜化的軌道交疊更深,Co和Ti 2個(gè)原子的電荷開始再分配,更多的自旋向下電子向費(fèi)米面以下移動(dòng),上界面的 Ti原子磁矩逐漸大于下界面的 Ti原子磁矩,這便形成了圖2中所示情形.

現(xiàn)在來(lái)分析Co/BaTiO3磁電效應(yīng)的大小,這里定義一個(gè)磁電耦合系數(shù)來(lái)表示磁電效應(yīng)的大小:

式中:ΔM表示磁化強(qiáng)度變化則是上下界面原子磁矩差,可以忽略Ba和O的磁矩;Ec表示矯頑場(chǎng),BaTiO3的矯頑場(chǎng)約為10 kV/cm.

設(shè)定Co層和Ba TiO3層的厚度分別為1 nm和2.5 nm,而材料的晶格常數(shù)為3.991?,所以體積V=3.991×3.991×(1+2.5)=5.57×1028m3,代入玻爾磁子可得ΔM=46.61 Oe(奧斯特),所以α=4.661×10-3Oe cm/V.

2.2 Ba TiO3-Fe、Ba TiO3-Ni復(fù)合結(jié)構(gòu)的分析及磁電耦合系數(shù)的計(jì)算

將復(fù)合材料中的鐵磁組分由Co換成Fe和Ni,分別計(jì)算出各自的磁電耦合系數(shù),研究在鐵磁組分改變的情況下,哪種復(fù)合材料的磁電效應(yīng)較為明顯.首先,對(duì)于Fe/BaTiO3,其基本結(jié)構(gòu)與 Co/BaTiO3相同,只是由Fe原子取代了原來(lái)Co原子的位置,計(jì)算方法也基本不變.與 Co/BaTiO3相同,可以計(jì)算出Δm=0.401μB,體積不變,所以ΔM=71.940 Oe,得到α=7.194×10-3Oe cm/V.對(duì)于 Ni/Ba TiO3,也同理如此.同樣忽略Ba和 O,可得到Δm=0.188μB,ΔM=39.3 Oe,α=3.93 ×10-3Oe cm/V.

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上面的計(jì)算可以了解到,3種復(fù)合多鐵性材料中 Fe/BaTiO3的磁電耦合系數(shù)最大,因此,在 Fe/Ba TiO3復(fù)合材料中,能夠在室溫下觀察到較為明顯的磁電效應(yīng).可以預(yù)計(jì),在不遠(yuǎn)的將來(lái),這種復(fù)合材料最有可能應(yīng)用于實(shí)際,從而對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)行業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn).

[1]Kohn W,Sham L J.Self-Consistent Equations Including Exchange and Co rrelation Effects[J].Physics Review,1965,140(4A):A 1133-A 1138.

[2]Kresse G,Joubert D.From U ltrasoft Pseudopotentials to the Projector Augmented-wave Method[J].Physics Review B,1999,59(3):1758-1775.

[3]John P Perdew,Kieron Burke,Matthias Ernzerhof.Generalized Gradient App roximation Made Simp le[J].Physics Review Letter,1996,77(18):3865-3868.

Ferromagnetic Elements Changes on Complex Multi-material Iron Magnetic Effect

ZENG Hao-xian,WANG Xiu-jie,GUO Peng
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

In this paper,density-functional calculations of the change of magnetoelectric effect is porformed w hen the ferromagnetic component is changed,and the composite structure of ferroelectric and ferromagnetic components are found,w hich show mo re remarkable magnetoelectric effect.

multiferroics;ferromagnetic component change;the first p rincip le

O482

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2010.01.020

1671-6906(2010)01-0076-03

2009-11-26

曾灝憲(1980-),男,河南信陽(yáng)人,碩士.