金属材料研究应用案例

时间:2014-04-03

钙在高于210GPa条件下的新超导相Ca-VII: 一种基于客体链有序的新主-客体结构

Reference: 1. Phys. Rev. Lett. 110, 235501 (2013)
                   2. Phys. Rev. B 83, 220512 (2011)
所用模块:CASTEP、X-CELL、Reflex   
      目前已知共有53种元素在常压或高压条件下具有超导特性。其中部分元素,譬如Ca,的临界超导温度(Tc)随着压强的增加而升高。日本的研究人员在大约210GPa条件下,得到了Ca的第七种相—Ca-VII,并且发现Ca-VII在216GPa时具有超导元素中最高的Tc(29K)。进一步的X射线粉晶衍射数据分析发现,Ca-VII具有不同于通常的主-客体结构:它包含A/B两种客体链,且在ab面上形成有序分布。第一原理计算的理论应力数据与实验一致,且声子计算结果证明了这种新主-客体结构的稳定性
 
上图. (a) Rietveld的拟合结果,最终的剩余方差因子0.95%;
(b) Rietveld修正得到的Ca-VII相结构的ab面;(c) ac面。A、B表示两种不同的客体链
 
 
 
压力诱发的碱金属s电子铁磁性:基于第一原理密度泛函计算的理论预测
Reference: Phys. Rev. Lett. 107, 087201 (2011)
所用模块:CASTEP 
      碱金属被认为是最不可能具有铁磁特征的元素。在压缩条件下它们会发生从体心立方(bcc)到面心立方(fcc)的相变,而更高的压强下,碱金属还可以形成更加开放的结构。伦敦大学的研究人员采用AIRSS(ab initio random structure searching)以及第一原理密度泛函方法CASTEP,不仅重现了实验所检测到的碱金属在不同压强下的稳定相,还预测了更高压强下,碱金属的可能相结构。进一步的电子结构研究表明,这些新相属于包含定域化间隙电子的开放结构,包括锂-IV型(cI16)、简单立方型(sc)和简单六方型(sh)结构,并且相应结构的K、Rb、Cs以及Fr显示出了强的铁磁性。铁磁体K-cI16和K-sc被推测为钾在低温及20GPa条件下的最稳定相。
 
上图. 钾的焓-压力曲线和20GPa压力条件下简单立方相钾的电子态密度分布。
 
 
超薄铁磁薄膜自旋极化的化学选择性调制:微观机理和宏观实验
Reference: Phys. Rev. B 80, 052406 (2009)
所用模块:CASTEP    
      薄膜磁学性能的调制将成为未来自旋电子器件设计的关键任务之一。英国剑桥大学的研究人员使用高灵敏二次电子自旋偏振计测试了N原子和O原子的吸附对于不同厚度Co/Cu{100}薄膜的二次电 子自旋极化(SESP)的影响,并提出了由CASTEP的计算结果获得体系SESP数值的理论模型,第一次将理论计算结果与实验测试结果做了直接对比。
 
上图. 左侧,理论模拟的结构示意图;右侧,对应于未吸附以及吸附不同原子时各层金属原子平均的自旋向上/向下价电子数
 
上图. 相对极化值随薄膜厚度的变化。红色(蓝色)曲线代表O(N)原子吸附的情况,实线(虚线)代表理论(实验)拟合数据。
可以发现,N原子吸附使SESP值降低了大约20%,而O原子几乎没有影响
 
 
 
α-Fe中H原子扩散的第一原理动力学研究
Reference: Phys. Rev. B 81, 132102 (2010)
所用模块:CASTEP     
      在高强度不锈钢脆化过程中,氢原子的迁移扩散起着很重要的作用。研究人员基于第一原理分子动力学方法研究了间隙氢原子在α-Fe中的迁移扩散行为。探讨了局域H原子浓度变化,对于α-Fe中H的驻留位点以及迁移势垒的影响,并基于动力学结果分析了Fe原子的均方根位移以及α-Fe的德拜温度随H原子浓度的变化。这些理论工作有助于深入理解脆化过程与氢原子迁移扩散的关系。
 
         
上图,Fe原子相对于平衡位置的均方根位移随温度的变化,不同颜色的线代表不同H浓度下的数据,浓度越大,位移数值越大
左图,α-Fe的德拜温度随氢原子浓度的变化,浓度越大,德拜温度越低,甚至会低于室温
 
 
 
结构无序性对Heusler合金Co2Fe0.5Mn0.5Si电子结构影响的第一原理研究 
Reference: J. Appl. Phys. 113, 17B106 (2013)
所用模块:CASTEP    
      高的居里温度以及理论上100%的自旋极化使Heusler 合金成为一种在自旋电子器件领域极具应用前景的半金属铁磁体。但是,薄膜中结构有序性的降低往往会使得基于Heusler合金的自旋阀(CV)器件具有低的磁致电阻。约克大学研究人员使用密度泛函+U 的方法研究了结构无序性对钴基Heusler 合金Co2Fe0.5Mn0.5Si(CMFS)自旋极化的影响。他们发现,在三种可能无序结构中, Mn/Fe 和 Si 的亚晶格混合所形成的无序结构不仅形成能最低,而且相比于完全有序的L21相,自旋极化率相对稳定。这不仅解释了以CMFS为电极的CV器件室温下具有巨大磁致电阻(74%)的原因,也表明,为了实现100%的自旋极化,并不一定需要完全有序的Heusler合金。
 
上图. PBE交换-相关泛函使用和不使用Hubbard U 项计算的完全有序的CFMS的自旋极化态密度的不同(U: Co=2.1 eV, Fe=2.1 eV 和 Mn =2.1 eV)