《磁性形状记忆合金Ni2MnGa的第一性原理研究.pptVIP

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(Magnetic Shape Memory Alloy， 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(Magnetic Shape Memory Effect， 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。 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 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 (Density Funetional Theory)。 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 （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 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2 Ni2MnGa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