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高压下氧化镁掺杂铁的电子结构与磁性质：基于第一性原理的深入探究

一、引言

1.1研究背景与意义

氧化镁（MgO）作为一种在工业和农业领域广泛应用的材料，具备诸多优异特性。其拥有出色的热稳定性，能够在高温环境下保持结构的稳定性，这使得它在高温工业过程中发挥着关键作用，如在高温炉衬材料中，氧化镁能够承受高温的侵蚀，保障炉子的正常运行。氧化镁还具有良好的耐腐蚀性，可抵抗多种化学物质的侵蚀，在化工设备的防腐涂层、储存腐蚀性物质的容器内衬等方面有重要应用。此外，氧化镁的绝缘性也十分突出，是电气绝缘材料的理想选择，常用于制造电线电缆的绝缘层、电器设备的绝缘部件等，有效防止电流泄漏，保障电气设备的安全运行。

当铁（Fe）掺杂到氧化镁中时，材料会被引入磁性，极大地拓展了其应用范围。在磁性存储领域，氧化镁掺杂铁材料有望作为新型存储介质，利用其独特的磁性特性，实现更高密度的数据存储和更快的数据读写速度，为解决当前数据存储面临的容量和速度瓶颈问题提供新的思路。在传感器方面，基于氧化镁掺杂铁材料对磁场变化的敏感响应，可开发出高灵敏度的磁场传感器，用于检测微弱的磁场信号，在生物医学检测、地质勘探、军事侦察等领域具有重要应用价值。在自旋电子学领域，该材料的特殊电子结构和磁性质使其成为研究热点，可能推动自旋电子器件的发展，如自旋晶体管、自旋逻辑电路等，为实现低功耗、高速运行的电子器件提供可能。

第一性原理计算基于量子力学原理，通过自洽场迭代计算得到原子间的相互作用力，进而得到材料的电子结构和物理性质。这种计算方法无需借助任何经验参数，能够从最基本的物理原理出发，深入探究材料的微观特性。在研究氧化镁掺杂铁材料时，第一性原理计算可以帮助我们揭示铁掺杂对氧化镁晶体结构、电子结构和磁性质的影响机制。通过精确计算，我们能够了解铁原子在氧化镁晶格中的位置、与周围原子的相互作用方式，以及这些变化如何导致材料电子云分布和能级结构的改变，从而进一步理解材料磁性产生的微观本质。这种深入的理论分析不仅能够为物理实验提供精准的理论指导，减少实验的盲目性和试错成本，还能预测材料在不同条件下的性能，为材料的优化设计和应用开发提供有力支持。

1.2国内外研究现状

在氧化镁掺杂铁材料的研究方面，国内外学者已取得了一定成果。部分研究关注了材料的制备方法与结构表征，通过溶胶-凝胶法、共沉淀法等多种手段成功制备出氧化镁掺杂铁材料，并利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等技术对其晶体结构和微观形貌进行分析，明确了不同制备条件对材料结构的影响。还有学者聚焦于材料的磁性能研究，发现铁掺杂量的变化会显著影响氧化镁的磁矩大小和磁性质，当铁掺杂量在一定范围内增加时，材料的饱和磁化强度逐渐增大，但过高的掺杂量可能导致磁畴结构的紊乱，反而使磁性能下降。

在高压下材料的第一性原理研究领域，也有不少进展。诸多研究利用第一性原理计算探究了高压对材料晶体结构相变的影响，发现随着压力的升高，材料的原子间距和晶胞体积会发生变化，进而引发晶体结构从一种形式转变为另一种形式，这种结构相变往往伴随着材料物理性质的显著改变。对于材料电子结构在高压下的变化也有深入研究，揭示了高压能够改变材料的电子云分布和能级结构，影响材料的导电性、光学性质等。

然而，当前研究仍存在一些不足与空白。对于氧化镁掺杂铁材料在高压下的综合研究相对较少，特别是高压对铁掺杂诱导的磁性以及电子结构变化的影响机制尚未完全明晰。不同研究中关于材料结构与性能关系的结论存在一定差异，这可能源于制备方法、实验条件以及计算模型的不同，缺乏系统性和一致性的研究体系。此外，在实际应用方面，如何将理论研究成果有效转化为实际材料的制备和应用，还需要进一步的探索和研究。

1.3研究内容与方法

本研究将利用第一性原理计算深入探究氧化镁掺杂铁在高压下的多种性质。在晶体结构方面，构建合理的氧化镁掺杂铁模型，通过计算精确获取晶格常数、键长、键角等结构参数，并分析这些参数随压力变化的规律，以此探究晶体结构的稳定性。例如，观察随着压力增加，晶格常数是否会发生收缩，键长和键角是否会出现相应的改变，以及这些变化对晶体结构稳定性的影响。

在电子结构研究中，计算价电子态密度，详细分析铁掺杂对氧化镁电子结构的影响，以及高压如何进一步调制这种影响。通过价电子态密度的计算结果，了解电子在不同能级上的分布情况，判断铁掺杂后电子云的重新分布以及高压下电子结构的变化趋势，如能级的移动、能带的展宽或收缩等。

对于磁性质，计算磁矩大小和磁矩方向，深入探究铁掺杂对氧化镁磁性质的影响以及高压下磁性质的演变规律。研究不同压力下磁矩的变化情况，分析磁矩方向是否会发生改变，以及这些变化与晶体结构和电子结构变化之间的内在联系。

本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，选用VASP（Vi