磁性形状记忆合金Ni2MnGa的第一性原理研究

磁性形状记忆合金Ni2MnGa的第一性原理研究导师：罗礼进答辩人:范荣专业：应物061论文框架研究目的、背景研究方法论文结论（一）研究背景、目的磁性形状记忆合金(MagneticShapeMemoryAlloy，MSMA)是一类新型形状记忆材料，不但具有传统形状记忆合金受温度场控制的热弹性形状记忆效应，而且具有受磁场控制的磁性形状记忆效应(MagneticShapeMemoryEffect，MSME)。因而，此类合金兼具有大恢复应变、大输出应力、高响应频率和可精确控制的综合特性，使其可能在大功率水下声呐、震动和噪声控制、线性马达、微波器件、微位移器、机器人等领域有重要应用，有望成为继压电陶瓷和磁致伸缩材料之后的新一代驱动与传感材料。Ni2MnGa是磁性形状记忆合金的典型代表，我们对Ni2MnGa的研究将有助于进一步加深对其结构和性能的了解，对其他的应用提供理论的依据。（二）研究方法2.1第一性原理方法第一性原理，即根据量子力学原理，不使用任何经验参数，通过求解相应的定态薛定谔方程来获得固体材料性质的方法。材料系统的薛定谔方程为：（2.1）其中为哈密顿算符。（2.1）式中哈密顿算符可以定义为：（2.2）式中是位置在处的原子核的质量，，是原子核所带电荷，是电子的质量，，是电子所处的位置。哈密顿量的第一项是原子核的动能项，第二项是电子的动能项，后面三项分别是电子和原子核，电子和电子，以及原子核与原子核之间的相互作用。HEHjijijijijijijiiieriiRRRZZerrerRZemMHii2020,20222281814122iMiRiZjZemirjr2.2多体问题的计算方法2.2.1非相对论近似认为电子质量等于其静止质量，并认为光束接近无穷大。式（2.2）便已经默认采用了非相对论的形式。2.2.2玻恩一奥本海默绝热近似在研究固体时，可以认为电子在固体中处于高速运动状态，而固体中的原子核可以看成是静止不动的。因此(2.2)式中的核的动能项就变为零，而最后一项核与核之间的库仑相互作用变成一常数项。所以（2.2)式的多体哈密顿只剩下三项:电子气的动能，电子一电子相互作用的势能，以及电子在核所产生的势场中的势能。即两类粒子组成的多粒子体系问题多电子体系问题extVVTH2.2.3单电子近似采用玻恩一奥本海默绝热近似后，相应的薛定谔方程仍然是一个多体薛定谔方程，所以需要进一步对它进行简化，以便得到单电子的薛定谔方程。在目前的固体理论中，最有效的单电子近似理论就是密度泛函理论(DensityFunetionalTheory)。2.3密度泛函理论由密度泛函理论可得单电子的Kahn一Sham方程:（2.8）其中是与单电子波函数相对应的本征值，哈密顿为:式中是无相互作用的电子气的动能，代表哈特利能量，是整体的交换关联相互作用项多电子体系问题一组单电子体系问题通过自洽的方法求解该方程，就可以得到体系的基态性质iiiKSH0THVxcViiKSHextxcieextxcHKSVVrdrrremVVVTH,02220)(42（三）论文结论Ni2MnGa合金的结构图1（1）Ni2MnGa合金的晶体结构参数和磁性表1理论与实验晶格常数、总磁矩和自旋磁矩参数本研究计算值其他理论计算值实验值晶格常数/nm0.579980.581(FLAPW-GGA)0.5773(GGA)0.5683(LSDA)0.5822总磁矩/uB3.9294.09(FLAPW-GGA)4.22(GGA)3.92(LSDA)4.17自旋磁矩/uB0.322(Ni)3.359(Mn)-0.074(Ga)0.37(Ni)3.36(Mn)(FLAPW-GGA)-0.04(Ga)0.24(Ni)2.74(Mn)-0.013(Ga)从表1可以看出（1）铁磁性合金Ni2MnGa磁性主要来源于Mn原子，同时Ni原子也提供了少量的磁性，而相对于Ga原子，它却是反磁性的。（2）对于处于不同位置的Ni原子其磁矩一致，原因是在不同位置的Ni原子其周围的原子分布是一致的。（2）四方形变图2Ni2MnGa在体积保持恒定时总能差ΔE与c/a的关系从图2中可看出:在我们所计算的四方形变范围内（c/a由0.9变化至1.5），在c/a约为1.255处出现一个能量局域最小值，表明该处存在一个稳定的马氏体相。图3磁矩与c/a的变化曲线结论：在c/a=1附近，Ni的磁矩变化趋势与总磁矩变化相似，这是由于一个原胞中有两个Ni原子对总磁矩作贡献，这说明在变形过程中，总磁矩随c/a变化绝大多数源于Ni原子，而Mn原子对其贡献较小。（3）态密度图5Ni2MnGa在奥氏体态下的总态密度和各原子相应的态密度结论：(1)总态密度的低能部分（-10.36至-5.12ev）主要由Ga的s和p态决定，而高能部分的态密度（-5.12至4.83ev）主要由Ni和Mn的d态决定。(2)总态密度的自旋向下部分以费米能级（这里为0ev）为界有两个峰值。高能部分的峰值主要来源于Mn的d态，低能部分的峰值主要来源于Ni的d态。(3)Ni的d态投影态密度，自旋向上与自旋向下基本对称，即自旋劈裂较小，因而磁矩较小。而Mn的自旋向上部分主要分布在费米能级以下，自旋向下部分主要分布在费米能级以上，自旋向上和自旋向下的态密度存在较大的自旋劈裂，因此Mn原子存在较大磁矩（这也从表1看出），这一方面验证了之前的讨论，另一方面也说明Ni2MnGa的主要磁矩贡献者是Mn原子。（4）压力响应图6Ni2MnGa的P-V关系结论：（1）要将Ni2MnGa压缩8％（相对于零压时的体积）需要的压力约为18.3GPa。（2）上述计算出的Ni2MnGa的零压体积弹性模量比Ni2MnGe（138.97GPa）大，而比Ni2MnB（247.7GPa）的小，说明Ni2MnGa的抗压缩性比Ni2MnGe大而比Ni2MnB的小。谢谢大家！