SmNi₂Fe结构、电学和磁性性质DFT研究

关键词：SmNi₂Fe、电子性质、磁矩、MedeA VASP、DFT

1. 研究背景

具有高磁性的永磁体被广泛应用于电机、发电机、磁选机、磁共振成像系统、电子、汽车等领域。最常见的永磁体是铁氧体磁体，需要新的、可替代的永磁体仍在进行中。含钐铁的永磁体具有很高的抗退磁性、耐高温、耐腐蚀性好，是一种很有应用前景的永磁体，而钐铁基磁体的研究非常有限，目前对于钐铁基磁性材料的研究还处于起步阶段。本案例中，作者通过第一性原理系统研究了SmNi₂Fe的结构参数，对SmNi₂Fe结构磁矩分析，发现SmNi₂Fe结构表现出较强的长久磁性，随后作者还进一步分析了SmNi₂Fe结构能带、态密度等电子性质。

2. 建模与计算方法

作者通过Welcome to MedeA Bundle中的InfoMaticA搜索R-3m空间群PuNi₃结构，然后采用Substitution search模块将PuNi₃转换为SmNi₂Fe结构。随后采用MedeA-ASP模块中采用密度泛函对SmNi₂Fe结构进行优化，优化中对Sm、Ni和Fe加U计算，其中U-J值分别为6.0、2.5、2.5 eV。DFT+U（U=5.5eV；J=1eV）的方法，采用PAW赝势，截断能500eV；随后作者还进一步分析了SmNi₂Fe结构能带、态密度等电子性质。

3. 结果与讨论

3.1 SmNi₂Fe结构

作者采用MedeA-VASP模块对不同SmNi₂Fe结构（见图1）进行优化，并计算出SmNi₂Fe结构的晶格参数（a，c）、平衡晶体体系（V）、密度（ρ）、生成焓（ΔHf）及Wyckoff position，见表1，计算得到的晶格参数与文献一致，SmNi₂Fe化合物生成焓（ΔHf）是负值，为1.526 eV（147.237 KJ/mol），说明该化合物热力学稳定，可通过实验合成。

图1 SmNi₂Fe结构

表1 SmNi₂Fe结构的晶格参数（a、c）、平衡晶格体积（V）、密度（ρ）、生成焓（ΔHf）及Wyckoff position（z）

 3.2 电子性质及磁学性质

接着作者采用MedeA-VASP模块计算了SmNi₂Fe化合物的自旋极化态密度，见图2。从图2中可知，SmNi₂Fe在-8到-5 eV之间的原子自旋电子态密度小的可以忽略。在-5到-3 eV之间 ，自旋向上态密度（PDOS）贡献主要来自Fe原子的d轨道，自旋向下态密度，主要来自于Ni原子d轨道；而-3到0 eV之间，Ni原子d轨道对态密度贡献比较大；0-1 eV之间，Ni原子和Sm原子的d轨道贡献几乎一致；1-2 eV之间，自旋向上态密度主要来自Sm原子的d轨道，自旋向下态密度，Ni、Fe和Sm原子的d轨道贡献接近。

图2 SmNi₂Fe态密度

随后作者分析了SmNi₂Fe的总磁矩和各原子磁矩，见表2。从表2中可知，SmNi₂Fe总磁矩大部分来自于Fe原子，因为Fe有永磁性的特点，Ni原子对总磁矩也有贡献；而Sm原子对磁矩贡献较小。通过密度泛函计算表明，SmNi₂Fe是一种硬磁材料，同时也是首次对SmNi₂Fe磁性和电子性质研究。

表2 SmNi₂Fe总磁矩和各原子磁矩

4. 总结与展望

本案例中，作者通过第一性原理分析了SmNi2Fe的结构、电子性质和磁学性质。SmNi2Fe晶格参数、平衡晶格体积和Wyckoff position与实验结果一致，计算形成焓可知，SmNi2Fe热力学稳定；通过电子和磁学性质分析，可知SmNi2Fe是硬磁性材料。，由于钐基磁体研究有限、价格昂贵，本案例的研究具有非常重要的科学意义，通过对SmNi2Fe第一性原理分析，发该材料可作为钕、钐钴基稀土磁体替代品。

参考文献：

S. Akbudak, A. Candan, M. Ozduran. Structural, Electronic, and Magnetic Properties of Hard Magnetic SmNi2Fe Compound: a DFT Study. J Supercond Nov Magn.

使用MedeA模块:  

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