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应变对钴铁氧体电子结构和磁性能影响的第一性原理研究

黄有林 侯育花 赵宇军 刘仲武 曾德长 马胜灿

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应变对钴铁氧体电子结构和磁性能影响的第一性原理研究

黄有林, 侯育花, 赵宇军, 刘仲武, 曾德长, 马胜灿

Influences of strain on electronic structure and magnetic properties of CoFe2O4 from first-principles study

Huang You-Lin, Hou Yu-Hua, Zhao Yu-Jun, Liu Zhong-Wu, Zeng De-Chang, Ma Sheng-Can
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  • 尖晶石型钴铁氧体(CoFe2O4)因具有良好的电磁性质, 广泛应用于计算机技术、航空航天及医学生物等领域. 特别是钴铁氧体薄膜在磁电复合材料中具有良好的应用前景. 本文基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法, 结合广义梯度近似, 通过采用更接近于实验上外延生长的二维应变模型, 研究了钴铁氧体薄膜的结构稳定性、电子结构和磁性能. 结果表明: 在二维应变作用下, 反尖晶石结构的钴铁氧体比正尖晶石结构的稳定, 但是与平衡基态相比, 两者能量差减小, 这表明在应变作用下, 八面体晶格中的Co2+离子与四面体晶格中的Fe3+离子更容易进行位置交换, 形成混合型结构的钴铁氧体; 同时随着应变的增大, 钴铁氧体的能带带隙减小, 晶格中的原子磁矩发生变化, 但总磁矩变化不明显.
    Spinel ferrites, such as CoFe2O4, can be used in various fields such as computer technology, aerospace, and medical biotechnology due to their good electromagnetic properties. Although, CoFe2O4 thin films have good application prospects in the magnetoelectric composites, the effects of strain on the electronic structure and magnetic properties of cobalt ferrite film have not been reported. Through the use of two-dimensional strain model closer to the epitaxial growth experiments, the films of Cobalt ferrite are simulated on various substrates with a realistic biaxial strain model by first-principles plane-wave pseudopotential method based on density functional theory, and combined with the generalized gradient approximation in the paper. And the structural stabilities, electronic structures and magnetic properties of CoFe2O4 films are studied. The results show that the inverse spinel is still energetically favored under strain, but the energy difference decreases, thus Fe3+ions in the tetrahedral sites and Co2+ ions in the octahedral sites are easier to exchange their positions. As the strain increases, the band gap of cobalt ferrite becomes narrower, and the magnetic moment of atom in the lattice changes, while the net magnetic moment changes little.
    • 基金项目: 南昌航空大学博士启动基金 (批准号: EA201101314, EA20121427)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the Ph.D. Start-up Foundation of Nanchang Hongkong University, China (Grant Nos. EA201101314, EA20121427).
    [1]

    Nakagomi F, da Silva S W, Garg V K, Oliveira A C, Morais P C, Junior A F, Lima E C D 2007 J. Appl. Phys. 101 09M514

    [2]

    Wang J Z, Fang Q Q 2004 Acta Phys. Sin. 53 3186 (in Chinese) [汪金芝, 方庆清 2004 物理学报 53 3186]

    [3]

    Zhang Z J, Wang Z L, Chakoumakos B C, Yin J S 1998 J. Am. Chem. Soc. 120 1800

    [4]

    Cedeño-Matte Y, Perales-Pérez O, Uwakweh O N C, Xin Y 2010 J. Appl. Phys. 107 09A741

    [5]

    Chinnasamy C N, Jeyadevan B, Shinoda K, Tohji K, Djayaprawira D, Takahashi M, Joseyphus R J, Narayanasamy A 2003 Appl. Phys. Lett. 83 2862

    [6]

    Giri A K, Kirkpatrick E M, Moongkhamklang P, Majetich S A, Harris V G 2002 Appl. Phys. Lett. 80 2341

    [7]

    Zheng H, Wang J, Lofland S E, Ma Z, Mohaddes-Ardabili L, Zhao T, Salamanca-Riba L, Shinde S R, Ogale S B, Bai F, Viehland D, Jia Y, Schlom D G, Wuttig M, Roytburd A, Ramesh R 2004 Science 303 661

    [8]

    Chopdekar R V, Suzuki Y 2006 Appl. Phys. Lett. 89 182506

    [9]

    Zheng H, Straub F, Zhan Q, Yang P L, Hsieh W K, Zavaliche F, Chu Y H, Dahmen U, Ramesh R 2006 Adv. Mater. 18 2747

    [10]

    Dwivedi G D, Tseng K F, Chan C L, Shahi P, Lourembam J, Chatterjee B, Ghosh A K, Yang H D, Chatterjee S 2010 Phys. Rev. B 82 134428

    [11]

    Axelsson A K, Valant M, Fenner L, Wills A S, Alford N M 2009 Thin Solid Films 517 3742

    [12]

    Gibart P, Robbins M, Kane A B 1974 J. Cryst. Growth 24-25 166

    [13]

    Lisfi A, Williams C M 2003 J. Appl. Phys. 93 8143

    [14]

    Huang W, Zhou L X, Zeng H Z, Wei X H, Zhu J, Zhang Y, Li Y R 2007 J. Cryst. Growth 300 426

    [15]

    Liu X M, Fu S Y, Huang C J 2005 Mat. Sci. Eng. B 121 255

    [16]

    Zhang L, Zhai J W, Mo W F, Yao X 2011 Solid State Sci. 13 321

    [17]

    Ding J, Gong H, Melaka R, Wang S, Shi S, Chen Y J, Phuc N X 2001 J. Magn. Magn. Mater. 226-230 1382

    [18]

    Guyot M, Lisfi A, Krishnan R, Porte M, Rougier P, Cagan V 1996 Appl. Surf. Sci. 96-98 802

    [19]

    Chambers S A, Farrow R F C, Maat S, Toneyb M F, Folksb L, Catalanoc J G, Trainorc T P, Brown Jr C G E 2002 J. Magn. Magn. Mater. 246 124

    [20]

    Suzuki Y, van Dover R B, Gyorgy E M, Phillips J M, Korenivski V, Werder D J, Chen C H H, Cava R J, Krajewski J J, Peck Jr W F, Do K B 1996 Appl. Phys. Lett. 68 714

    [21]

    Zhang Y, Deng C Y, Ma J, Lin Y H, Nan C W 2008 Appl. Phys. Lett. 92 062911

    [22]

    Xie S, Cheng J, Wessels B W, Dravid V P 2008 Appl. Phys. Lett. 93 181901

    [23]

    Hou Y H, Zhao Y J, Liu Z W, Yu H Y, Zhong X C, Qiu W Q, Zeng D C, Wen L S 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 445003

    [24]

    Hou Y H, Zhao Y J, Liu Z W, Yu H Y, Zhong X C, Qiu W Q, Zeng D C 2011 J. Appl. Phys. 109 07A502

    [25]

    Kresse G, Furthmller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169

    [26]

    Kresse G, Furthmuller J 1996 Comput. Mater. Sci. 6 15

    [27]

    Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [28]

    Blöchl P E 1994 Phys. Rev. B 50 17953

    [29]

    Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758

    [30]

    Monkhorst H J, Pack J D 1976 Phys. Rev. B 13 5188

    [31]

    Blöchl P E, Jepsen O, Andersen O K 1994 Phys. Rev. B 49 16223

    [32]

    Anisimov V I, Aryasetiawan F, Lichtenstein A I 1997 J. Phys.: Condens. Matter 9 767

    [33]

    Park J H, Lee J H, Kim M G, Jeong Y K, Oak M A, Jang H M, Choi H J, Scott J F 2010 Phys. Rev. B 81 134401

    [34]

    Wu Z Y, Bao Z X, Cao L 2003 J. Appl. Phys. 93 9983

  • [1]

    Nakagomi F, da Silva S W, Garg V K, Oliveira A C, Morais P C, Junior A F, Lima E C D 2007 J. Appl. Phys. 101 09M514

    [2]

    Wang J Z, Fang Q Q 2004 Acta Phys. Sin. 53 3186 (in Chinese) [汪金芝, 方庆清 2004 物理学报 53 3186]

    [3]

    Zhang Z J, Wang Z L, Chakoumakos B C, Yin J S 1998 J. Am. Chem. Soc. 120 1800

    [4]

    Cedeño-Matte Y, Perales-Pérez O, Uwakweh O N C, Xin Y 2010 J. Appl. Phys. 107 09A741

    [5]

    Chinnasamy C N, Jeyadevan B, Shinoda K, Tohji K, Djayaprawira D, Takahashi M, Joseyphus R J, Narayanasamy A 2003 Appl. Phys. Lett. 83 2862

    [6]

    Giri A K, Kirkpatrick E M, Moongkhamklang P, Majetich S A, Harris V G 2002 Appl. Phys. Lett. 80 2341

    [7]

    Zheng H, Wang J, Lofland S E, Ma Z, Mohaddes-Ardabili L, Zhao T, Salamanca-Riba L, Shinde S R, Ogale S B, Bai F, Viehland D, Jia Y, Schlom D G, Wuttig M, Roytburd A, Ramesh R 2004 Science 303 661

    [8]

    Chopdekar R V, Suzuki Y 2006 Appl. Phys. Lett. 89 182506

    [9]

    Zheng H, Straub F, Zhan Q, Yang P L, Hsieh W K, Zavaliche F, Chu Y H, Dahmen U, Ramesh R 2006 Adv. Mater. 18 2747

    [10]

    Dwivedi G D, Tseng K F, Chan C L, Shahi P, Lourembam J, Chatterjee B, Ghosh A K, Yang H D, Chatterjee S 2010 Phys. Rev. B 82 134428

    [11]

    Axelsson A K, Valant M, Fenner L, Wills A S, Alford N M 2009 Thin Solid Films 517 3742

    [12]

    Gibart P, Robbins M, Kane A B 1974 J. Cryst. Growth 24-25 166

    [13]

    Lisfi A, Williams C M 2003 J. Appl. Phys. 93 8143

    [14]

    Huang W, Zhou L X, Zeng H Z, Wei X H, Zhu J, Zhang Y, Li Y R 2007 J. Cryst. Growth 300 426

    [15]

    Liu X M, Fu S Y, Huang C J 2005 Mat. Sci. Eng. B 121 255

    [16]

    Zhang L, Zhai J W, Mo W F, Yao X 2011 Solid State Sci. 13 321

    [17]

    Ding J, Gong H, Melaka R, Wang S, Shi S, Chen Y J, Phuc N X 2001 J. Magn. Magn. Mater. 226-230 1382

    [18]

    Guyot M, Lisfi A, Krishnan R, Porte M, Rougier P, Cagan V 1996 Appl. Surf. Sci. 96-98 802

    [19]

    Chambers S A, Farrow R F C, Maat S, Toneyb M F, Folksb L, Catalanoc J G, Trainorc T P, Brown Jr C G E 2002 J. Magn. Magn. Mater. 246 124

    [20]

    Suzuki Y, van Dover R B, Gyorgy E M, Phillips J M, Korenivski V, Werder D J, Chen C H H, Cava R J, Krajewski J J, Peck Jr W F, Do K B 1996 Appl. Phys. Lett. 68 714

    [21]

    Zhang Y, Deng C Y, Ma J, Lin Y H, Nan C W 2008 Appl. Phys. Lett. 92 062911

    [22]

    Xie S, Cheng J, Wessels B W, Dravid V P 2008 Appl. Phys. Lett. 93 181901

    [23]

    Hou Y H, Zhao Y J, Liu Z W, Yu H Y, Zhong X C, Qiu W Q, Zeng D C, Wen L S 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 445003

    [24]

    Hou Y H, Zhao Y J, Liu Z W, Yu H Y, Zhong X C, Qiu W Q, Zeng D C 2011 J. Appl. Phys. 109 07A502

    [25]

    Kresse G, Furthmller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169

    [26]

    Kresse G, Furthmuller J 1996 Comput. Mater. Sci. 6 15

    [27]

    Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [28]

    Blöchl P E 1994 Phys. Rev. B 50 17953

    [29]

    Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758

    [30]

    Monkhorst H J, Pack J D 1976 Phys. Rev. B 13 5188

    [31]

    Blöchl P E, Jepsen O, Andersen O K 1994 Phys. Rev. B 49 16223

    [32]

    Anisimov V I, Aryasetiawan F, Lichtenstein A I 1997 J. Phys.: Condens. Matter 9 767

    [33]

    Park J H, Lee J H, Kim M G, Jeong Y K, Oak M A, Jang H M, Choi H J, Scott J F 2010 Phys. Rev. B 81 134401

    [34]

    Wu Z Y, Bao Z X, Cao L 2003 J. Appl. Phys. 93 9983

  • [1] 陈波, 杨詹詹, 王玉楹, 王寅岗. 退火时间对Fe80Si9B10Cu1非晶合金纳米尺度结构不均匀性和磁性能的影响. 物理学报, 2022, 71(15): 156102. doi: 10.7498/aps.71.20220446
    [2] 姚仲瑜, 孙丽, 潘孟美, 孙书娟. 第一性原理研究semi-Heusler合金CoCrTe和CoCrSb的半金属性和磁性. 物理学报, 2016, 65(12): 127501. doi: 10.7498/aps.65.127501
    [3] 颜送灵, 唐黎明, 赵宇清. 不同组分厚度比的LaMnO3/SrTiO3异质界面电子结构和磁性的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(7): 077301. doi: 10.7498/aps.65.077301
    [4] 沈杰, 魏宾, 周静, Shen Shirley Zhiqi, 薛广杰, 刘韩星, 陈文. Ba(Mg1/3Nb2/3)O3电子结构第一性原理计算及光学性能研究. 物理学报, 2015, 64(21): 217801. doi: 10.7498/aps.64.217801
    [5] 侯育花, 黄有林, 刘仲武, 曾德长. 稀土掺杂对钴铁氧体电子结构和磁性能影响的理论研究. 物理学报, 2015, 64(3): 037501. doi: 10.7498/aps.64.037501
    [6] 姚光锐, 范广涵, 郑树文, 马佳洪, 陈峻, 章勇, 李述体, 宿世臣, 张涛. 第一性原理研究Te-N共掺p型ZnO. 物理学报, 2012, 61(17): 176105. doi: 10.7498/aps.61.176105
    [7] 袁娣, 黄多辉, 罗华锋. Be, O共掺杂实现p型AlN的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(14): 147101. doi: 10.7498/aps.61.147101
    [8] 管东波, 毛健. Magnli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(1): 017102. doi: 10.7498/aps.61.017102
    [9] 李忠虎, 李林, 祁阳. BaCoxZn2-xFe16O27六角铁氧体电子结构与介电特性的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(20): 207102. doi: 10.7498/aps.61.207102
    [10] 袁娣, 罗华锋, 黄多辉, 王藩侯. Zn,O共掺杂实现p型AlN的第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(7): 077101. doi: 10.7498/aps.60.077101
    [11] 程志梅, 王新强, 王风, 鲁丽娅, 刘高斌, 段壮芬, 聂招秀. 三元化合物ZnCrS2电子结构和半金属铁磁性的第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(9): 096301. doi: 10.7498/aps.60.096301
    [12] 李忠虎, 李林, 朱林. W形六角铁氧体BaFe18O27电子结构与导电性的第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(10): 107102. doi: 10.7498/aps.60.107102
    [13] 文黎巍, 王玉梅, 裴慧霞, 丁俊. Sb系half-Heusler合金磁性及电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(4): 047110. doi: 10.7498/aps.60.047110
    [14] 李姝丽, 张建民. Ni原子链填充碳纳米管的能量、电子结构和磁性的第一性原理计算. 物理学报, 2011, 60(7): 078801. doi: 10.7498/aps.60.078801
    [15] 易勇, 丁志杰, 李恺, 唐永建, 罗江山. Ni4NdB电子结构和磁性能第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(9): 097503. doi: 10.7498/aps.60.097503
    [16] 胡玉平, 平凯斌, 闫志杰, 杨雯, 宫长伟. Finemet合金析出相-Fe(Si)结构与磁性的第一性原理计算. 物理学报, 2011, 60(10): 107504. doi: 10.7498/aps.60.107504
    [17] 向军, 宋福展, 沈湘黔, 褚艳秋. 一维Ni0.5Zn0.5Fe2O4/SiO2复合纳米结构的制备及其磁性能. 物理学报, 2010, 59(7): 4794-4801. doi: 10.7498/aps.59.4794
    [18] 罗礼进, 仲崇贵, 江学范, 方靖淮, 蒋青. Heusler合金Ni2MnSi的电子结构、磁性、压力响应及四方变形的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(1): 521-526. doi: 10.7498/aps.59.521
    [19] 杨银堂, 武 军, 蔡玉荣, 丁瑞雪, 宋久旭, 石立春. p型K:ZnO导电机理的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(11): 7151-7156. doi: 10.7498/aps.57.7151
    [20] 丁少锋, 范广涵, 李述体, 肖 冰. 氮化铟p型掺杂的第一性原理研究. 物理学报, 2007, 56(7): 4062-4067. doi: 10.7498/aps.56.4062
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-04-08
  • 修回日期:  2013-05-22
  • 刊出日期:  2013-08-05

应变对钴铁氧体电子结构和磁性能影响的第一性原理研究

  • 1. 南昌航空大学材料科学与工程学院, 南昌 330063;
  • 2. 华南理工大学材料科学与工程学院, 广州 510641;
  • 3. 华南理工大学理学院, 广州 510641
    基金项目: 南昌航空大学博士启动基金 (批准号: EA201101314, EA20121427)资助的课题.

摘要: 尖晶石型钴铁氧体(CoFe2O4)因具有良好的电磁性质, 广泛应用于计算机技术、航空航天及医学生物等领域. 特别是钴铁氧体薄膜在磁电复合材料中具有良好的应用前景. 本文基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法, 结合广义梯度近似, 通过采用更接近于实验上外延生长的二维应变模型, 研究了钴铁氧体薄膜的结构稳定性、电子结构和磁性能. 结果表明: 在二维应变作用下, 反尖晶石结构的钴铁氧体比正尖晶石结构的稳定, 但是与平衡基态相比, 两者能量差减小, 这表明在应变作用下, 八面体晶格中的Co2+离子与四面体晶格中的Fe3+离子更容易进行位置交换, 形成混合型结构的钴铁氧体; 同时随着应变的增大, 钴铁氧体的能带带隙减小, 晶格中的原子磁矩发生变化, 但总磁矩变化不明显.

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