稀土掺杂对钴铁氧体电子结构和磁性能影响的理论研究

侯育花; 黄有林; 刘仲武; 曾德长

doi:10.7498/aps.64.037501

摘要

尖晶石型铁氧体是十分重要的磁性材料之一, 具有独特的物理性质、化学特性、磁学特性和电子特性. 其中尖晶石型钴铁氧体具有较好的电磁性质而被广泛应用. 本文基于密度泛函理论(DFT) 的第一性原理平面波赝势法, 结合广义梯度近似(GGA+U), 研究了CoRE0.125Fe1.875O4 (RE = Nd, Eu, Gd)体系的电子结构和磁性能. 结果表明随着稀土元素从Nd到Gd掺杂体系晶胞的晶格常数呈递减趋势. 磁性能依赖于稀土离子(RE3+)4f轨道未配对的电子数, 掺杂Eu和Gd能够提高钴铁氧体体系的磁矩, 主要因为它们3+价态离子具有较多未配对的4f电子, 因而对磁性能的影响较大. 然而Nd 的掺杂对体系磁性能的影响很小, 这是由于它的离子半径较大, 导致晶格发生畸变.

关键词:

Abstract

Spinel ferrite is one of the very important magnetic materials, having the unique physical properties, chemical properties, magnetic properties, and electronic properties. CoFe2O4 is widely used due to their good electromagnetic properties. We have studied the electronic structure and magnetic properties of CoRE0.125Fe1.875O4 (RE = Nd, Eu, Gd)by first-principles plane-wave pseudopotential method based on density functional theory (DFT), combined with the generalized gradient approximation (GGA + U) in this paper. Results show that the lattice constants of the compunds CoFe1.875RE0.125O4 (RE=Nd, Eu and Gd) will decrease due to the decreasing ionic radius of RE as the atomic number increases. Their magnetic properties depend on the unpaired 4f electrons of RE3+ ions, and the net magnetic moment of CoFe2O4 will increase with Eu and Gd doping, mainly because there are more unpaired 4f electrons in Eu3+ and Gd3+. Thus the doping of Eu3+ and Gd3+ may have a greater impact on the magnetic properties of cobalt ferrite. The contribution from the doping of Nd is not remarkable on the magnetic properties, since the Nd3 + ion, having a larger ionic radius, could distort the crystal structure of CoFe2O4.

Keywords:

作者及机构信息

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

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11304146, 51401103)和江西省教育厅基金(批准号: GJJ13484)资助的课题.

Authors and contacts

1.
School of Materials Science and Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China;

2.
School of Materials Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11304146, 51401103), and the Department of Education Foundation of Jiangxi Province, China (Grant No. GJJ13484).

参考文献

[1]	Niizeki T, Utsumi Y, Aoyama R, Yanagihara H, Inoue J, Yamasaki Y, Koike H N, Kita E 2013 Appl. Phys. Lett. 103 162407
[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]	Murugesan C, Perumal M, Chandrasekaran G 2014 Physica B 44 853
[4]	Shang Z F, Qi W H, Ji D H, Xu J, Tang G D, Zhang Xiao Y, Li Z Z, Lang L 2014 Chin. Phys. B 23 107503
[5]	Li G M, Wang L C, Xu Y 2014 Chin. Phys. B 23 088105
[6]	EI Hachimi A G, Zaari H, Benyoussef A, EI Yadari M, EI Kenz A 2014 J. Rare Earth 32 715
[7]	He J Q, Wang Y, Yan M F, Pan Z Y, Guo L X 2013 Chin. Phys. B 22 027102
[8]	Nikumbh A K Pawar R A, Nighot D V, Gugale G S, Sangale M D, Khanvilkar M B, Nagawade A V 2014 J. Magn. Magn. Mater. 355 201
[9]	Zhao L J, Yang H, Zhao X P, Yu L X, Cui Y M, Feng S H 2006 Mater. Lett. 60 1
[10]	Ben Tahar L, Artus M, Ammar S, Smiri L S, Herbst F, Vaulay M J, Richard V, Grenéche J M, Villain F, Fiévet F 2008 J. Magn. Magn. Mater. 320 3242
[11]	Panda R N, Shih J C, Chin T S 2003 J. Magn. Magn. Mater. 257 79
[12]	Ben Tahar L, Smiri L S, Artus M, Joudrier A-L, Herbst F, Vaulay M J, Ammar S, Fiévet F 2007 Mater. Res. Bull. 42 1888
[13]	Peng J H, Hojamberdiev M, Xu Y H, Cao B W, Wang J, Wu H 2011 J. Magn. Magn. Mater. 323 133
[14]	Cheng F X, Jia J T, Xu Z G 1999 J. Appl. Phys. 86 2727
[15]	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
[16]	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
[17]	Huang Y L, Hou Y H Zhao Y J, Liu Z W, Zeng D C Ma S C 2013 Acta Phys. Sin. 62 167502 (in Chinese) [黄有林, 侯育花, 赵宇军, 刘仲武, 曾德长, 马胜灿 2013 物理学报 62 167502]
[18]	Kresse G, Furthmller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169
[19]	Kresse G, Furthmuller J 1996 Comput. Mater. Sci. 6 15
[20]	Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865
[21]	Blöchl P E 1994 Phys. Rev. B 50 17953
[22]	Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758
[23]	Monkhorst H J, Pack J D 1976 Phys. Rev. B 13 5188
[24]	Blöchl P E, Jepsen O, Andersen O K 1994 Phys. Rev. B 49 16223
[25]	Anisimov V I, Aryasetiawan F, Lichtenstein A I 1997 J. Phys.: Condens. Matter. 9 767
[26]	Shannon R D 1976 Acta Cryst. A 32 751
[27]	Pileni M P 2001 Adv. Funct. Mater. 11 323

施引文献

[1]	Niizeki T, Utsumi Y, Aoyama R, Yanagihara H, Inoue J, Yamasaki Y, Koike H N, Kita E 2013 Appl. Phys. Lett. 103 162407
[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]	Murugesan C, Perumal M, Chandrasekaran G 2014 Physica B 44 853
[4]	Shang Z F, Qi W H, Ji D H, Xu J, Tang G D, Zhang Xiao Y, Li Z Z, Lang L 2014 Chin. Phys. B 23 107503
[5]	Li G M, Wang L C, Xu Y 2014 Chin. Phys. B 23 088105
[6]	EI Hachimi A G, Zaari H, Benyoussef A, EI Yadari M, EI Kenz A 2014 J. Rare Earth 32 715
[7]	He J Q, Wang Y, Yan M F, Pan Z Y, Guo L X 2013 Chin. Phys. B 22 027102
[8]	Nikumbh A K Pawar R A, Nighot D V, Gugale G S, Sangale M D, Khanvilkar M B, Nagawade A V 2014 J. Magn. Magn. Mater. 355 201
[9]	Zhao L J, Yang H, Zhao X P, Yu L X, Cui Y M, Feng S H 2006 Mater. Lett. 60 1
[10]	Ben Tahar L, Artus M, Ammar S, Smiri L S, Herbst F, Vaulay M J, Richard V, Grenéche J M, Villain F, Fiévet F 2008 J. Magn. Magn. Mater. 320 3242
[11]	Panda R N, Shih J C, Chin T S 2003 J. Magn. Magn. Mater. 257 79
[12]	Ben Tahar L, Smiri L S, Artus M, Joudrier A-L, Herbst F, Vaulay M J, Ammar S, Fiévet F 2007 Mater. Res. Bull. 42 1888
[13]	Peng J H, Hojamberdiev M, Xu Y H, Cao B W, Wang J, Wu H 2011 J. Magn. Magn. Mater. 323 133
[14]	Cheng F X, Jia J T, Xu Z G 1999 J. Appl. Phys. 86 2727
[15]	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
[16]	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
[17]	Huang Y L, Hou Y H Zhao Y J, Liu Z W, Zeng D C Ma S C 2013 Acta Phys. Sin. 62 167502 (in Chinese) [黄有林, 侯育花, 赵宇军, 刘仲武, 曾德长, 马胜灿 2013 物理学报 62 167502]
[18]	Kresse G, Furthmller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169
[19]	Kresse G, Furthmuller J 1996 Comput. Mater. Sci. 6 15
[20]	Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865
[21]	Blöchl P E 1994 Phys. Rev. B 50 17953
[22]	Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758
[23]	Monkhorst H J, Pack J D 1976 Phys. Rev. B 13 5188
[24]	Blöchl P E, Jepsen O, Andersen O K 1994 Phys. Rev. B 49 16223
[25]	Anisimov V I, Aryasetiawan F, Lichtenstein A I 1997 J. Phys.: Condens. Matter. 9 767
[26]	Shannon R D 1976 Acta Cryst. A 32 751
[27]	Pileni M P 2001 Adv. Funct. Mater. 11 323

[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]	黄有林, 侯育花, 赵宇军, 刘仲武, 曾德长, 马胜灿. 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. 物理学报, 2013, 62(16): 167502. doi: 10.7498/aps.62.167502
[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

计量

文章访问数: 7772
PDF下载量: 425
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板