铁磁成分变化对复合型多铁性材料磁电效应的影响

曾灏宪,王秀杰,郭 鹏

(中原工学院,郑州 450007)

铁磁成分变化对复合型多铁性材料磁电效应的影响

曾灏宪,王秀杰,郭 鹏

(中原工学院,郑州 450007)

利用密度泛函方法计算铁电体和3d过渡金属的复合薄膜在铁磁组分改变下磁电效应的变化,以期寻找到具有更大磁电效应的铁磁铁电成分组合.

多铁性材料;铁磁成分变化;第一性原理

多铁性材料对于现代科技的发展有重要的意义,特别是在信息存储领域有着广泛的应用前景.先前人们认为磁化强度和极化强度可以独立地在一个单独的多铁体单元里编码信息,四态记忆现在已经被论证了,但实际中这2种有序参量很有可能耦合.理论上耦合能够允许以电来改写数据,以磁来读取数据.这是很吸引人的,它使我们能够探询出铁电随机存取记忆(FeRAM)和磁数据存储的最优越的方面,同时避免了读取FeRAM和需要很大的局域磁场来擦写数据的问题,进而为实现高密度、小体积、易携带、高速度的信息存储及相关智能材料的应用迈出了坚实的步伐.由于磁电多铁性材料存在的应用前景和丰富的物理内涵,此类功能性材料引发了国内外科研人员的浓厚兴趣.

1 基本理论和计算方法

铁电和铁磁共存的多铁性材料是当今研究最多的功能性材料.外加磁场作用时,产生自发磁化的重排,外加电场作用时,产生自发极化的重排;外加应力时,产生自发形变的重排;基于这些特殊的性能,多铁性材料可以制成多态记忆元、电场控制的电磁共振装置和磁场控制的压电传感器.

通过第一性原理的计算就可以了解铁电—铁磁多层材料中一个产生磁电效应的未知的物理结构.铁电—铁磁界面的一个连接键的改变产生了这种结构来源,即界面处的磁化强度在电偶极矩转向时发生变化.以CO/BaTiO3多层材料为典型例子,研究发现在界面两侧的Co、Ti原子的磁偶极矩有很大的区别,通过相应临近的电偶极矩的方向来区分这种不同.

密度泛函理论在物理和化学上都有广泛的应用,特别是用来研究分子和凝聚态的性质,即研究多电子体系电子结构的量子力学方法[1-3].通过 Kohn-Sham方法实现密度泛函理论最普遍的应用,在此框架中,由于处在一个外部静电势中的电子相互作用而产生的多体问题简化为一个没有相互作用的电子在有效势场中运动的问题.最简单的近似求解方法为局域密度近似(LDA).LDA使用均匀电子气来计算体系的交换能的精确求解,而采用对自由电子气进行拟合的方法处理相关能部分.

2 复合结构的分析及磁电耦合系数的计算

2.1 BaTiO3-Co复合结构的分析及磁电耦合系数

的计算

我们首先来探讨BaTiO3-Co的磁电性质,它是一类典型的复合多铁性功能材料,其结构如图1所示.模拟计算时,计算体系选择的有18个Co原子、6个Ba原子、7个 Ti原子和20个O原子.进行模拟计算后能够得出每个原子的磁矩.

图1 BaTiO3-Co的结构示意图

图2 Ti原子态密度图

图2所示为 Ti原子态密度图.从图2中上下界面的Ti原子的态密度图中可以明显看出上界面的 Ti原子磁矩大于下界面的 Ti原子(负号仅代表方向).这是由BaTiO3的极化强度所引起的.A曲线为下界面Ti原子,B曲线为上界面 Ti原子.从图2中可以看出上界面的 Ti原子自旋向下的状态在费米能级(图2中能量零点处)附近比下界面 Ti原子更多,这加剧了自旋向下与自旋向上的态密度的不对称性.而自旋向下与自旋向上的电子态不相等是一个原子是否有磁矩的根本原因.由于在BaTiO3中存在垂直向上的极化强度,在极化强度的作用下使得 Ti原子向上界面移动,上界面的Co-Ti键长逐渐变短,Co和 Ti的相互作用变得更强,Co和 Ti之间杂化的轨道交叠更深,Co和Ti 2个原子的电荷开始再分配,更多的自旋向下电子向费米面以下移动,上界面的 Ti原子磁矩逐渐大于下界面的 Ti原子磁矩,这便形成了图2中所示情形.

现在来分析Co/BaTiO3磁电效应的大小,这里定义一个磁电耦合系数来表示磁电效应的大小:

式中:ΔM表示磁化强度变化则是上下界面原子磁矩差,可以忽略Ba和O的磁矩;Ec表示矫顽场,BaTiO3的矫顽场约为10 kV/cm.

设定Co层和Ba TiO3层的厚度分别为1 nm和2.5 nm,而材料的晶格常数为3.991Å,所以体积V=3.991×3.991×(1+2.5)=5.57×1028m3,代入玻尔磁子可得ΔM=46.61 Oe(奥斯特),所以α=4.661×10-3Oe cm/V.

2.2 Ba TiO3-Fe、Ba TiO3-Ni复合结构的分析及磁电耦合系数的计算

将复合材料中的铁磁组分由Co换成Fe和Ni,分别计算出各自的磁电耦合系数,研究在铁磁组分改变的情况下,哪种复合材料的磁电效应较为明显.首先,对于Fe/BaTiO3,其基本结构与 Co/BaTiO3相同,只是由Fe原子取代了原来Co原子的位置,计算方法也基本不变.与 Co/BaTiO3相同,可以计算出Δm=0.401μB,体积不变,所以ΔM=71.940 Oe,得到α=7.194×10-3Oe cm/V.对于 Ni/Ba TiO3,也同理如此.同样忽略Ba和 O,可得到Δm=0.188μB,ΔM=39.3 Oe,α=3.93 ×10-3Oe cm/V.

3 结 语

通过上面的计算可以了解到,3种复合多铁性材料中 Fe/BaTiO3的磁电耦合系数最大,因此,在 Fe/Ba TiO3复合材料中,能够在室温下观察到较为明显的磁电效应.可以预计,在不远的将来,这种复合材料最有可能应用于实际,从而对数据存储行业的发展作出贡献.

[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

曾灏宪(1980-),男,河南信阳人,硕士.