有机分子DDQ-TM磁性的第一性原理研究及旋转磁化法测量六角晶系面内各向异性场的理论研究

摘要

具有低密度高可塑性的磁性有机分子材料是新兴的磁性材料，受到很大关注。但是有机磁体在实验中一般显示出磁矩小与居里温度不够高的缺陷。因而合成具有室温以上居里温度的有机磁体，并对其磁性起源及其交换机制进行理论研究显得极为重要：一方面，对原理的研究能够深入对有机磁体的认识；另一方面可以指导实验工作，试图做出性能更佳的有机磁性材料。
　　 本文利用第一性原理计算软件vasp，根据DDQ分子的结构以及化学特性构建出DDQ-TM2(TM-过渡金属)有机单分子模型。对分子模型进行结构优化后，计算了材料的电子结构与磁性基态，并通过分子的电荷密度，自旋密度等，对分子的磁性起源以及交换机制进行了系统研究。研究发现，当分子中两个过渡金属原子相同时，由于受极化的3d电子的影响，TM-0-TM形成极化的原子团，是分子的磁矩中心；两个过渡金属原子间存在超交换作用与直接交换作用，其竞争结果决定了分子的磁性基态；在所有3d金属中，含Fe2，Co2，Ni2的DDQ分子由于超交换作用占主导而具有铁磁基态。当两个过渡金属原子为不同元素时，研究发现当两个原子总的3d电子数为10时，如DDQ-CrFe分子，分子能态密度具有半金属特性，并表现出反铁磁基态。
　　 在固定外场大小下旋转磁场，由旋转磁化曲线(RMC)推知具有面内单轴磁各向异性的薄膜材料的磁各向异性场是一种确定材料高阶磁各向异性常数的新方法。本文基于能量最小原理，对该方法进行了严格的理论推导。并充分考虑到矫顽力对磁矩磁化反转的影响，解释了当h＜0.5时理论曲线与实验曲线不一致的问题。本文将改进后的理论模型应用于具有平面型各向异性的六角晶系样品，系统讨论了在不同外场下六角晶系的旋转磁化曲线，理论计算结果与蒙特卡洛模拟结果相符。研究表明，旋转磁化为测量六角晶系的高阶磁各向异性常数K3提供了新途径。