论文摘要
自1983年,M.Sagawa、Croat及M.C.Koon等同时报导了NdFeB系永磁材料以来,钕铁硼永磁体以其优良的物理性能一直被科学界广泛研究。钕铁硼具有高剩磁、高磁能积和大矫顽力,是第三代稀土永磁材料中性价比最高的磁性材料,被誉为“磁王”。随着科技的快速发展和各行业要求的提高,钕铁硼永磁体的性能得到不断改进,在汽车、医疗、计算机、机械、军事等领域得到广泛应用,且应用范围仍在不断扩大。目前对钕铁硼的研究工作中,由于与生产制造的密切性,多数研究集中在钕铁硼的生产工艺方面,而对钕铁硼微结构的基础研究相对较少。从长远来看,这种研究趋势将一定程度上影响钕铁硼的快速发展。分子和原子水平上的相互作用与结构研究,可以从更深层次揭示物质的物理化学性质,为该物质材料的生产应用提供理论指导和技术支持。因此有必要加强钕铁硼永磁材料的微观结构、能带、电子传输等方面的研究。本论文的工作中,我们主要运用密度泛函理论（DFT）的第一性原理和非平衡态格林函数方法（NEGF）计算研究了Nd2Fe14B晶胞、双电极模型和磁性隧道结的电子结构、电子传输、能带结构、态密度等物理性质。同时基于电磁感应理论,对两种钕铁硼材料（40钢和52钢）进行了实验研究,通过脉冲控制与数据拟合得出了二者的最优励磁条件,并应用于生产实际,取得了节省能源,提高生产效率和产品质量的效果,获得了合作方的高度评价。本论文主要包括以下几方面内容:第一章,主要介绍了钕铁硼永磁体的发现、发展、主要的物理特性、常用的制备方法和应用领域以及本文研究工作的重要意义。第二章,具体介绍了本论文计算研究中所涉及的基础理论知识和基本计算方法,包括第一性原理、密度泛函理论（DFT）、非平衡格林函数（NEGF）、Landuauer理论等,并对本文建立钕铁硼模型,计算其电子结构、电子传输特性中采用的计算工具ATK程序包以及实验测量两种钕铁硼材料所使用的实验仪器如MYC系列脉冲电源控制器、Agilent 6000彩色双踪示波器等做了简单介绍。第三章,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,利用ATK程序包研究了Nd2Fe14B以及Au/Nd2Fe14B/Au双电极模型的电子结构与传输特性,对Nd2Fe14B的能带结构、电子密度、态密度以及Au/Nd2Fe14B/Au双电极模型的传输谱和态密度等进行了分析,并计算了部分稀土元素形成的R2Fe14B的能带结构,与Nd2Fe14B进行了比较分析。计算结果显示,Nd2Fe14B具有典型的导体能带特征,属于良导体;其单胞的电子密度具有完好的轴对称性,与Nd2Fe14B单胞的原子分布相对应;电子传输具有准一维性质,量子特征非常明显。在R2Fe14B化合物能带之间的比较中发现,所有被研究的R2Fe14B化合物都具有导体能带结构,且随着原子序数的增加,在相同的能量范围内,能级数呈现增加趋势。第四章,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,利用ATK程序包建立Nd2Fe14B/MgO/Nd2Fe14B磁性隧道结模型,在SingleZetaPolarized基组水平上研究了Nd2Fe14B/MgO/Nd2Fe14B磁性隧道结的电子传输特性,根据Simmons的隧穿理论分析了隧道结的I-V曲线;在0偏压下,计算得出该隧道结的隧道磁阻（TMR）为49.67%。第五章,基于电磁感应理论,设计了独特的实验电路,采用MYC系列电永磁吸盘智能电源控制器、Agilent 6000彩色双踪示波器等对40钢和52钢两种钕铁硼永磁材料进行了最优励磁参数的测量与研究,并对实验结果进行了理论分析和拟合。利用电源控制器实现对脉冲数的控制,调节励磁线圈数和励磁电流并检测相应条件下待测材料的充磁效果,从而得出最佳的励磁参数。第六章,总结了本论文的研究工作,并在此基础上指出未来需要深入研究的相关内容。
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