鈷納米團(tuán)簇的軌道磁矩及各向異性能研究.pdf

1、納米材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)異的物化性質(zhì)，不但能有效改善功能性元器件的電光磁性能，而且能滿足元器件微型化發(fā)展的迫切需求。納米團(tuán)簇是由幾個(gè)乃至數(shù)千個(gè)原子聚合在一起而形成的低維結(jié)構(gòu)材料，處于低維納米結(jié)構(gòu)材料的極限尺度，而過(guò)渡金屬元素未滿的d殼層填充通常會(huì)導(dǎo)致其組成的結(jié)構(gòu)材料表現(xiàn)一定的磁矩值。近期，人們發(fā)現(xiàn)過(guò)渡金屬納米團(tuán)簇?fù)碛斜葔K體更強(qiáng)的磁矩值和較高的磁各向異性能。因此，過(guò)渡金屬納米團(tuán)簇具有應(yīng)用于高密度磁存儲(chǔ)、生物醫(yī)學(xué)、信息存儲(chǔ)密度、微納米

2、器件等領(lǐng)域的巨大潛力。
　　利用Stern-Gerlach偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和XMCD吸收譜實(shí)驗(yàn)，人們近期測(cè)量了過(guò)渡金屬（如Fe、Co、Ni等）納米團(tuán)簇的原子自旋磁矩、軌道磁矩、以及總磁矩，發(fā)現(xiàn)團(tuán)簇中的軌道磁矩并沒(méi)有像塊體中那樣發(fā)生“淬滅”，團(tuán)簇中的自旋磁矩是塊體中的1.4到2.4倍，而軌道磁矩卻是塊體中的幾倍到幾十倍，甚至接近一百倍。一方面，不同的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值定性相符但定量差異較大，而實(shí)驗(yàn)測(cè)量的軌道磁矩值并沒(méi)有合理的理論解釋?zhuān)惹行枰獜睦碚?/p>

3、層面掌握?qǐng)F(tuán)簇軌道磁矩隨團(tuán)簇尺寸演化的規(guī)律；另一方面，按照Bruno公式MAE=-ξΔμorb/4μB，擁有較大軌道磁矩的團(tuán)簇將在自旋-軌道耦合效應(yīng)的作用下，表現(xiàn)出較強(qiáng)的磁各向異性能(MAE)，這意味著此類(lèi)鐵磁性元素所組成的小尺寸團(tuán)簇具有作為磁存儲(chǔ)單元的潛質(zhì)。
　　基于第一性原理下的DFT方法，并考慮標(biāo)量相對(duì)論DFT+SR和自旋-軌道耦合效應(yīng)DFT+SOC，論文系統(tǒng)地研究了Con(n＝2-24)納米團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)演化、自旋磁矩、軌道磁矩

4、、磁各向異性能隨尺寸的演化關(guān)系，以及自旋-軌道耦合對(duì)體系結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)Co納米團(tuán)簇在超過(guò)11原子尺寸以上，結(jié)構(gòu)傾向于六角密排層狀構(gòu)型的生長(zhǎng)模式，其比五角雙錐為結(jié)構(gòu)單元而堆砌的二十面體結(jié)構(gòu)演化模式更穩(wěn)定，兩者之間的平均束縛能相差約0.01-0.11eV/atom；(2)團(tuán)簇的自旋磁矩約為1.73-2.60μB/atom,其中Con(n=2-9)和Con(n=10-24)團(tuán)簇的自旋磁矩分別為1.89-2.60μB/at

5、om，1.73-2.20μB/atom，其與團(tuán)簇體系的尺寸、結(jié)構(gòu)、以及局域環(huán)境的依賴(lài)度很低；(3)團(tuán)簇的軌道磁矩與尺寸、磁化方向、局域配位數(shù)、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性有極大的依賴(lài)關(guān)系。其中，團(tuán)簇極限下的Co2二聚物的軌道磁矩高達(dá)0.78μB/atom；隨著團(tuán)簇尺寸的逐漸增加，團(tuán)簇體系的Co原子的平均配位數(shù)隨著增加，進(jìn)而使體系的平均軌道磁矩逐漸減??；當(dāng)體系原子數(shù)超過(guò)10以后，團(tuán)簇的平均軌道磁矩將與體系尺寸和結(jié)構(gòu)的依賴(lài)度降低，磁矩值維持在0.09-0.1

6、3μB/atom，并在0.10μB/atom上下微震蕩；(4)自旋軌道耦合作用對(duì)體系的穩(wěn)定性影響很小，普遍性地使體系的鍵長(zhǎng)有所伸長(zhǎng)(<0.01埃)，同時(shí)該效應(yīng)會(huì)降低體系的束縛能(～0.12eV/atom)，進(jìn)而使體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性微弱降低；(5)磁各向異性的計(jì)算表明，體系結(jié)構(gòu)在不同的磁化方向上通常會(huì)有差別較大的軌道磁矩而具有相同的自旋磁矩，團(tuán)簇的易磁化軸傾向于平行于層狀結(jié)構(gòu)面而難磁化軸傾向于垂直該平面，團(tuán)簇的磁各向異性能隨著尺寸的變化表現(xiàn)