鐵磁成分變化對復合型多鐵性材料磁電效應的影響

曾灝憲,王秀杰,郭 鵬

(中原工學院,鄭州 450007)

鐵磁成分變化對復合型多鐵性材料磁電效應的影響

曾灝憲,王秀杰,郭 鵬

(中原工學院,鄭州 450007)

利用密度泛函方法計算鐵電體和3d過渡金屬的復合薄膜在鐵磁組分改變下磁電效應的變化,以期尋找到具有更大磁電效應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

多鐵性材料對于現代科技的發展有重要的意義,特別是在信息存儲領域有著廣泛的應用前景.先前人們認為磁化強度和極化強度可以獨立地在一個單獨的多鐵體單元里編碼信息,四態記憶現在已經被論證了,但實際中這2種有序參量很有可能耦合.理論上耦合能夠允許以電來改寫數據,以磁來讀取數據.這是很吸引人的,它使我們能夠探詢出鐵電隨機存取記憶(FeRAM)和磁數據存儲的最優越的方面,同時避免了讀取FeRAM和需要很大的局域磁場來擦寫數據的問題,進而為實現高密度、小體積、易攜帶、高速度的信息存儲及相關智能材料的應用邁出了堅實的步伐.由于磁電多鐵性材料存在的應用前景和豐富的物理內涵,此類功能性材料引發了國內外科研人員的濃厚興趣.

1 基本理論和計算方法

鐵電和鐵磁共存的多鐵性材料是當今研究最多的功能性材料.外加磁場作用時,產生自發磁化的重排,外加電場作用時,產生自發極化的重排;外加應力時,產生自發形變的重排;基于這些特殊的性能,多鐵性材料可以制成多態記憶元、電場控制的電磁共振裝置和磁場控制的壓電傳感器.

通過第一性原理的計算就可以了解鐵電—鐵磁多層材料中一個產生磁電效應的未知的物理結構.鐵電—鐵磁界面的一個連接鍵的改變產生了這種結構來源,即界面處的磁化強度在電偶極矩轉向時發生變化.以CO/BaTiO3多層材料為典型例子,研究發現在界面兩側的Co、Ti原子的磁偶極矩有很大的區別,通過相應臨近的電偶極矩的方向來區分這種不同.

密度泛函理論在物理和化學上都有廣泛的應用,特別是用來研究分子和凝聚態的性質,即研究多電子體系電子結構的量子力學方法[1-3].通過 Kohn-Sham方法實現密度泛函理論最普遍的應用,在此框架中,由于處在一個外部靜電勢中的電子相互作用而產生的多體問題簡化為一個沒有相互作用的電子在有效勢場中運動的問題.最簡單的近似求解方法為局域密度近似(LDA).LDA使用均勻電子氣來計算體系的交換能的精確求解,而采用對自由電子氣進行擬合的方法處理相關能部分.

2 復合結構的分析及磁電耦合系數的計算

2.1 BaTiO3-Co復合結構的分析及磁電耦合系數

的計算

我們首先來探討BaTiO3-Co的磁電性質,它是一類典型的復合多鐵性功能材料,其結構如圖1所示.模擬計算時,計算體系選擇的有18個Co原子、6個Ba原子、7個 Ti原子和20個O原子.進行模擬計算后能夠得出每個原子的磁矩.

圖1 BaTiO3-Co的結構示意圖

圖2 Ti原子態密度圖

圖2所示為 Ti原子態密度圖.從圖2中上下界面的Ti原子的態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(負號僅代表方向).這是由BaTiO3的極化強度所引起的.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在費米能級(圖2中能量零點處)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密度的不對稱性.而自旋向下與自旋向上的電子態不相等是一個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度,在極化強度的作用下使得 Ti原子向上界面移動,上界面的Co-Ti鍵長逐漸變短,Co和 Ti的相互作用變得更強,Co和 Ti之間雜化的軌道交疊更深,Co和Ti 2個原子的電荷開始再分配,更多的自旋向下電子向費米面以下移動,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.

現在來分析Co/BaTiO3磁電效應的大小,這里定義一個磁電耦合系數來表示磁電效應的大小:

式中:ΔM表示磁化強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,BaTiO3的矯頑場約為10 kV/cm.

設定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復合結構的分析及磁電耦合系數的計算

將復合材料中的鐵磁組分由Co換成Fe和Ni,分別計算出各自的磁電耦合系數,研究在鐵磁組分改變的情況下,哪種復合材料的磁電效應較為明顯.首先,對于Fe/BaTiO3,其基本結構與 Co/BaTiO3相同,只是由Fe原子取代了原來Co原子的位置,計算方法也基本不變.與 Co/BaTiO3相同,可以計算出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 語

通過上面的計算可以了解到,3種復合多鐵性材料中 Fe/BaTiO3的磁電耦合系數最大,因此,在 Fe/Ba TiO3復合材料中,能夠在室溫下觀察到較為明顯的磁電效應.可以預計,在不遠的將來,這種復合材料最有可能應用于實際,從而對數據存儲行業的發展作出貢獻.

[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,河南信陽人,碩士.