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1、-范文最新推荐- 有机分子磁各项异性能的研究+文献综述 摘要纳米信息存储材料的研究重点一直在于如何寻找到具有较大的磁各向异性能材料，从而实现提高信息存储的密度，并降低存储单元的尺寸。近年来，研究人员先后研究了多种包含d电子的过渡金属的有机三明治分子结构，但是具有较高磁各向异性能的有机结构仍然没有太多的报道。本课题论文采用了第一性原理的密度泛函理论，主要研究了金属三明治聚合物 的自旋磁矩及态密度。并通过自旋轨道耦合的计算，发现了 分子具有较大的磁各向异性能，具有较大的应用前景。5774关键词磁各向异性、第一性原理、自旋磁矩、态密度、自旋轨道耦合毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleMagnet
2、ic anisotropyenergy of organic moleculeAbstractFor the current information storage materials, the most important topic is how to improve the storage density, and reduce the size of storage materials. However, the significant goal is blocked by the lack of storage materials with large magnetic anisot
3、ropy energy. In recent years, many sandwich structures, which contained transitional metal atoms and organic molecules, have been well studied. But the reported results are not satisfied. In this thesis, we using first-principles calculations to study the magnetic properties of. Our results show tha
4、t allstructures are ferromagnetic, owing a large magnetic moments. Importantly, we found thathas a large magnetic anisotropy energy, and the spin orientation prefers ab direction. Therefore, our results provide some new insight into the future application of information storage materials.Keywordsmag
5、netic anisotropy, first-principle, spin magnetic moment, density of state, spin-orbital coupling目次 图一：磁存储材料的三种磁各项异性状态，YES表示存储单元在室温下有一致的自旋方向，可以作为信息存储材料，No表示其自旋方向在室温下随意分布，不适合做信息存储材料。随着磁信息储存材料的微型化和高密度化的发展，寻找具有更高磁各向异性能(Magnetic Anisotropy Energy, 简称MAE)的材料，降低基本信息储存单元尺寸成为了一种必然的趋势。1.2 磁各向异性磁各向异性即相对于物体中一个给
6、定的参考系，在不同方向上物体具有不同磁性的现象。磁各向异性对磁性合金的技术磁化特性(如磁导率、矫顽力等)有很大影响，因而是重要的基本磁性之一。磁各向异性的产生是由于原子或离子的磁矩直接或间接地与晶格相耦合引起的，它与构成磁性物体的磁离子的电子状态密切关联。铁磁性物体的内能随其自发磁化方向的改变而变化。一个无应力的球形铁磁体沿某一方向由磁中性状态磁化到饱和时，单位体积所需要的能量称该方向的磁各向异性能。当无外磁场时，自发磁化指向内能最低的方向，即磁各向异性能最低的方向，称易磁化方向(轴)。磁各向异性能最高的方向称难磁化方向(轴)。通常将难磁化轴与易磁化轴的能量差值定为该难磁化轴的磁各向异性能。磁
7、各向异性主要包括磁晶各向异性、应力磁各向异性、形状磁各向异性、感生磁各向异性和交换磁各向异性。本课题所研究的 中的磁各向异性属于磁晶各向异性。磁晶各向异性，指磁性单晶体，由于晶体结构上的各向异性所产生的磁各向异性，又称晶体磁各向异性。在晶体中，原子或离子的有规则排列，造成空间周期变化的不均匀静电场，它对原子中电子的运动产生很大影响。晶体中原子磁矩主要来自它的电子自旋的总磁矩，电子的自旋与电子的轨道运动是耦合着的，而邻近原子的电子轨道之间还有交换相互作用，这些运动随原子磁矩在晶格中取向不同而有很大差别，这就是产生磁晶各向异性的原因。通常用磁晶各向异性常数K表示磁性体磁各向异性的强弱，它与磁性体难
8、磁化轴的磁各向异性能成正比，磁晶各向异性能可用数学式表述出来。例如对立方晶系，磁晶各向异性能为： 随着磁信息储存材料的微型化和高密度化的发展，寻找具有更高MAE的材料，降低基本信息储存单元尺寸成为了一种必然的趋势。因此，目前的研究在于如何寻找具有较高磁各项异性能、可制备的功能基团。近期的研究发现有些有机三明治聚合物比如 、 的某些团簇拥有较大的MAE，但是报道的种类很少，并且通常都需要进行载流子掺杂等外界调控，因此很难实践。1.3 研究进展早期人们研究的主要关注点是过渡金属链和团簇。R. Q. Wu等人利用第一性原理计算了Co单原子链在自由状态下和金属衬底下的磁各项异性能3。他们的结果表明MA
9、E大约为 1 meV/Co。与此类似，Weinberger等人利用从头算方法研究了Co金属链在Pt表面的自旋各项异性情况4。他们的研究发现最大的MAE约为1.4 meV/Co。Strandberg等人也利用第一性原理对3d过渡金属的dimer进行了研究，他们发现 的MAE大约为7meV, 而 的MAE则高30meV5。Fritsch等人也计算了 的MAE，他们的结果显示MAE大约为50meV6。对3d过渡金属的充分研究，使人们意识到相对于3d金属元素物质，具有更高原子数的铁磁金属元素可能会提高MAE。基于这样的观察，S. Blügel等人研究了4d过渡金属原子链的磁各项异性的研究7。
10、他们的研究发现对于4d过渡金属原子的后半部分元素，其MAE大约为10meV的量级。此外，还可以通过拉伸原子链的方法，使MAE增大到60meV左右。但是，通过这些单原子链和过渡金属二聚物的研究，发现这些过渡金属原子很容易互相作用，破坏其原有的链状和二聚物的结构，从而形成体态结构或者更大的团簇结构。这就是说，工业化制备面临着极大的困难。因此，理论上预言的高MAE很难在实际中得到应用。这也可能是目前信息存储材料没有采用单原子链或者金属团簇方法的根本原因。从这个角度来说，利用过渡金属原子和有机分子形成比较稳定的化合物具有更可靠的大规模制备的可能性。目前流行的化学方法已经可以比较快速，稳定的形成此类化合
11、物，这也确保了其可以工业化应用的前提。 2 理论方法简介2.1 第一性原理现代电子结构理论的核心问题在于怎样恰当的处理电子相关问题。第一性原理计算的发展便是随着计算技术的进步，怎样得到更进一步关于电子相关的近似的过程。在计算中，一般采用非相对论近似，波恩—奥本海默近似，以及独立电子近似。对于大质量或高速运动的物体，我们必须应用相对论来描述它们的运动规律。但在第一性原理计算中，处理的微观客体都具有很小的质量，对于大多数原子及其内部的电子，采用非相对论近似可以在很大程度上描述它们的运动性质。这就是非相对论近似。波恩—奥本海默近似又称为绝热近似（adiabatic appro
12、ximation）。由于相对于电子的质量，原子核的质量非常之大，即便对于最轻的氢原子核，其质量比也在103:1以上。我们可以将原子核质量近似为无穷大，这样哈密顿量中的原子核动能项就可以忽略不计，这就大大地缩减了我们需要处理的自由度。独立电子近似又称为Hartree近似。它认为，可以将复杂的电子相互作用近似为单个电子在其他电子及原子核形成的一个平均场中运动，这样只需要求解单个电子在一个中心势场的运动就可以描述整个多电子体系。第一性原理就是在上面三个近似的基础上，利用Hartree—Fock近似和自洽场方法，处理体系电子结构的理论计算方法。它有半经验方法不可比拟的优势，因为它不需要其它
13、的经验和拟合参数，就可以应用量子力学来计算出该微观体系的总能量、电子结构等物理性质。近年来，基于密度泛函理论的第一性原理计算，在材料设计、合成、模拟计算和评价诸多方面有许多突破性进展，已经成为计算材料科学的重要基础和核心技术。2.2 密度泛函理论 其中， 是一个无限维的函数， 是非极化电子其的交换能。相对于L(S)DA，GGA大大改进了原子的交换相关能的计算结果，对分子和固体中L(S)DA高估的结合能也给出了很好的校正，甚至可以用来研究氢键体系的能量和结构，在化学领域得到广泛的应用。现在常用的GGA近似包括：Becke88，PW91和PBE。但是需要指出的是，GGA并非总是优于L(S)DA，也
14、并非总是得到低于L(S)DA的结合能。2.3 密度泛函理论的优势和应用在密度泛函理论的计算中波函数有两种表示方法，一种类似HF方法，把K-S轨道波函数写成局域基函数的线性组合，基函数可以是Gauss函数或者类原子波函数。另一种是把波函数扩展成平面波矢。与其他基于多电子波函数的算法比较，密度泛函理论具有几个优点：1）密度泛函理论的基本原理是严格的，原则上有望获得任意高的精度；2）计算量比较低，理论上可以通过重新表述，使得计算量仅随N线性增长。3）在密度泛函理论框架下，许多重要的化学概念都能得到有效理解。随着密度泛函理论的发展，它的应用领域也变的越来越广泛，在物理、化学和生物多门学科中，密度泛函理
15、论都成为了有力的研究手段和工具。研究的体系包括从零维的团簇，量子点，一维的纳米线，纳米带，纳米管，二维的表面，到三维的材料。2.4 软件包简介目前，基于密度泛函理论的计算软件包非常多，这些软件极大的扩展了量子化学的使用者范围，丰富了研究的内容。在本课题中，主要使用Dmol3和VASP两个软件包。Dmol3以数值化的原子轨道作为基失，计算密度泛函理论Kohn-Slam方程的自洽解，可以得到数值的分子波函数，系统的电子和磁性性质；比较不同几何构型的能量梯度，可以决定系统的能量最低的平衡构型。这样，在理论上，为研究未知化合物提供了一种可靠的预测性的方法，并能够在微观尺度上解释现有化合物的已知性质。Dmol3的精度虽然不如Gaussian，但可以实际应用于相当大的体系。 有机分子磁各项异性能的研究+文献综述(6): 11 / 12
