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摘 要

坡莫合金指的是镍铁合金，其中镍的含量范围可以很大， 为35%—90%之间，在本篇论文中，着重研究了这种合金的结构和磁性，并研究了当有稀土掺杂时，其结构与磁性的变化。采用第一性原理计算的方法，计算研究了块体材料坡莫合金中Ni和Fe的位置对能量的影响，发现在Fe比较分散的时候能量较低；块体材料和薄膜材料的坡莫合金的对比，发现薄膜材料由于存在表面离子，离子位置会发生偏离原位置，对称性下降，对应的态密度和能带也有所变化。然后我们分别在坡莫合金上放置一层的晶胞，计算其能量、能态密度和能带的变化，研究其对坡莫合金的结构和磁性的影响。再将铜晶胞中掺杂2个稀土元素离子的几种情况，再次计算出最低能量所对应的结构，和该结构对应的能态密度和能带，观察其对坡莫合金的结构和磁性的影响。

关键词：、第一性原理计算、稀土掺杂

Abstract

Permalloy refers to a nickel-iron alloy, in which the content of nickel can range from 35% to 90%. In this paper, the structure and magnetic properties of this alloy are studied emphatically, and when doped, rare earths’ structure and magnetic properties change have been studied. Using the first-principles calculation method, the influence of the position of Ni and Fe in the bulk material permalloy on energy was calculated, and it was found that the energy was lower when the Fe was relatively dispersed; In the contrast the permalloy of the bulk material and the thin film material was found that due to the existence of surface ions in the thin film material, the ion position would deviate from the original position, the symmetry would decrease, and the corresponding density of state and energy band will also change. Then we placed a layer of unit cells on the permalloy, and calculated the energy, energy density and energy band changes, and studied its impact on the structure and magnetic properties of permalloy. Then, two kinds of rare earth element ions were doped into the copper cell, and the structure corresponding to the lowest energy was calculated again, and the energy density and energy band corresponding to the structure were observed to observe the impact on structure and magnetic properties of the permalloy.

KEY WORDS :,First-principle calculations, Rare earth doping

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 坡莫合金 1

1.2 自旋动力学方法 1

1.3 第一性原理计算 2

1.3 稀土金属的特性 3

1.4 的结构 5

第二章 块材的计算 7

2.1 引言 7

2.2 块材的结构与计算 7

2.3 块材的态密度计算 13

2.4 的能带图计算 16

第三章 薄膜以及在其上镀铜膜的计算 18

3.1 引言 18

3.2 薄膜的结构与计算 18

3.3 薄膜的态密度 19

3.4 薄膜的能带图 20

3.5 薄膜镀上铜膜的能量计算 21

3.7 薄膜镀上铜膜的态密度计算 22

第四章 在上的铜膜中掺杂Nd稀土元素的计算 23

4.1 引言 23

4.2 6种不同的Nd掺杂方式 23

4.3 2个Nd原子掺杂6种结构的态密度和能带图 24

第五章 结论和展望 27

参考文献 28

致谢 29

绪论

自旋电子学

电子自旋的研究是目前非常热门的一个课题。人们通过研究这一课题，逐渐形成了一个新的领域，这个领域就是自旋电子学。因为电子的自旋可以存储信息，自旋电子学的自旋也可以作为传输的载体。电子自旋的驰豫时间较长。而且电子自旋不容易被杂质破坏。电子自旋不容易暴露缺陷被破坏。磁场可以控制电子自旋态。这一研究主要的方法就是自旋动力学方法。

自旋动力学方法可以提供一种洞察磁系统中的激励和动态的关键行为以及可以使目前该该系统的研究有一个与目前实验相同或者较高的精度。^[1]

计算机模拟方法确实革新了我们去理解很多统计物理中模型行为的能力。无论是随机抽样提供的关于静态特性的信息，这种方法不能描述确定性时变特性。传统上来说，研究人员已经使用LLG方程的结论去模拟磁系统的时变特性，但是这种方法只适用于一个相对粗尺度下，而且使用唯象参数是很难在基础的理论上进行证明的。相反，自旋动力学模拟已经成为研究磁系统的时间演变的一种有效的工具，首先是相互作用的哈密顿量，它描述了原子磁矩之间的相互作用。在这些的模拟中，控制系统的动力学特性的经典方程可以被数值求解，通过给定初始条件的限制。

自旋动力学模拟的发展已经随着新的对于合并的两个动力学方程的分解方法的出现而加速。这些数值算法，基于指数算子的分解，是时间可逆的，它们正是节约了相空间的体积，并且关于系统总能量的错误被限制了。（在一些场景中，这总的能量被恰好的估算出来。）这种分解方法的有效性和效率在以下的例子中展现出来:自选动力学模型在RbMnF3中的磁激发源，在最新的例子中，先进的整合方法已经被用来获得高分辨率的结果，这些结果可以直接用来在数值上与中子散射数据相比，并揭示了理论与实验之间的争议。^[2]

坡莫合金

坡莫合金合金在各种产品中的应用是衡量其工作能力和经济利益的一个指标。 由于可以用铁取代高达50％的镍，可以获得比纯Ni便宜得多的Ni-Fe合金。 Ni-Fe合金还表现出高耐腐蚀性，良好的附着力和机械性能。 由于它们的磁特性，它们在磁记录介质，传感器，自旋电子材料和屏蔽体领域有很多实际应用。亚微米图案化的坡莫合金薄膜或结构已被广泛应用于诸如磁场传感器，磁电设备和超高密度存储等应用中。特别是最近由洛伦兹显微镜和磁力显微镜（MFM）研究的盘状图形坡莫合金薄膜导致了磁阻随机存取存储器的发展，因为它们提供了稳定的磁涡相位而不消耗功率。单方形磁性坡莫合金薄膜是方形每边四个畴的限定组件，是探索微磁性基本问题的理想系统，例如磁阻，亚稳态磁相变和自旋失效。在这样的系统中，通过剥离方法从正方形薄膜蚀刻25％体积的环形薄膜近来比其他单一正方形磁性坡莫合金薄膜引起更多关注，以阐明如何使畴旋转沮丧状态在外加磁场作用下从涡流状态演变为单畴状态，并影响磁滞回线的形状。本论文中，我们主要讨论此种坡莫合金，此种合金有很多物理特性可以进行探讨，其主要物理特性将在下文列出：

薄膜是一种超高频软磁材料，具有高磁导率，低矫顽力，可以带来磁阻抗效应，GMI响应取决于Ni80Fe20薄膜的厚度，这与FINEMET带和层之间的电磁相互作用有关。这些结果为改善GMI效应开辟了一条新途径，并将带有磁性薄膜涂层的FINEMET色带作为GMI传感器的极具吸引力的候选者，并且/ Cu多层膜的磁阻对Cu层厚度，磁性层厚度，缓冲层厚度，分层叠层数和磁性层也会产生的影响，这将会在下文中提及。^[3]

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