铁氮化合物的第一性原理研究

【摘要】：铁氮化合物由于其特殊的组成和结构,具有优异的铁磁性能和良好的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损性能,是理想的磁记录介质和薄膜磁头候选材料,同时还可以作为重要的表面改性材料,受到人们的广泛关注。 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了三种典型铁氮化合物Fe16N2、Fe4N和Fe3N的结构与性能,重点探讨了Fe16N2的相稳定性、力学性能和磁性能,Fe4N的薄膜结构(slab结构)和表面特性,Fe3N的电子结构和力学性能,最后系统研究了铁氮化合物结构与物性的关联。主要结论如下： (1)对Fe16N2形成能的计算表明Fe16N2是热力学稳定相。电子结构分析表明N原子和最近邻Fel、Fe2原子之间存在的较强共价键是由N原子p电子和Fe原子d电子之间的杂化作用而形成的,键合强度明显高于其它原子之间的成键。弹性常数计算结果表明Fe16N2具有韧性,是机械稳定的,在a-c晶面内弹性各向异性非常显著。Fe16N2磁性能的计算表明,考虑Fe原子3d电子之间的库仑相互作用后,Fe原子平均磁矩增大。Fe16N2不等价位置Fe原子磁矩差异的主要原因是N原子的间隙插入,使晶格畸变,引起不等价位置Fe原子与N原子之间的杂化强度不同,不等价Fe原子自身不同d电子轨道的交互作用发生改变,导致Fe原子3d自旋电子数和分布状态发生改变,造成不同位置Fe原子磁矩的差异。 (2) Fe4N(001)表面自由能计算结果表明Fe4N(001)表面只以Fe2N终止表面的形式存在。电子结构分析表明价带和导带在费米能级处有相当部分的交叠,预示Fe4N薄膜将表现出金属导电性。此外,由于表面结构弛豫,Fe4N(001)表面的电子结构比块体Fe4N表现出不同的细节特征。Fe4N薄膜厚度与磁性的关联表明Fe原子平均磁矩随着薄膜(slab)厚度的减小而变小,该差异主要是由于slab结构中第二层的Fe2原子的磁矩变化造成的。 (3)Fe3N电子态密度计算表明考虑Fe原子3d电子之间的库仑相互作用后,费米能级处的态密度值变小,体系更稳定。磁性能计算值表明磁矩的实验测量值普遍小于理论计算值,是因为实验测量值的样品并非纯Fe3N相而是ε-FexN(2x≤3)混合相。力学性能计算结果表明Fe3N是机械稳定的,且计算考虑Fe原子3d电子之间的库仑相互作用后,更能反映体系原子间键合作用的本质,材料的弹性模量和德拜温度与实验值更接近。弹性各向异性计算表明Fe3N只有轻微的剪切各向异性,几乎没有压缩各向异性。 (4)研究了三种典型铁氮化合物Fe16N2、Fe4N和Fe3N晶体结构、力学性能以及磁性能的变化规律,探讨了三种化合物结构与物性的关联。三种铁氮化合物可以分别看作氮原子嵌入bcc α-Fe、fcc γ-Fe、hcp ε-Fe金属亚晶格的结果。随着氮含量的增加,体系由铁原子组成的亚晶格的对称性由bcc变为fcc,然后转变为hcp。三种化合物的体模量随着氮含量的增加而增大,德拜温度随着化合物中Fe原子和N原子杂化作用的增强而升高,平均磁矩随着氮含量的增加而减小。