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应用基于第一性原理的全势线性缀加平面波方法(FLAPW),本文计算了(001)面和(110)面Fe/Cr超晶格的电子结构,研究了该体系中Fe层在铁磁耦合与反铁磁耦合两种状态下的磁矩分布和能态密度。
在(001)面,Fe<,1>/Cr<,1>、Fe<,3>/Cr<,1>、Fe<,3>/Cr<,3>、Fe<,5>/Cr<,5>超晶格体系中Fe层间为铁磁耦合时的总能量更低,即铁磁耦合状态是基态,对于Fe<,4>/Cr<,4>,反铁磁耦合时的总能量更低,所以反铁磁耦合状态是基态。其内禀自旋波长度为两层。Fe层的磁矩由于Cr层的加入而有一些变化,Cr层的磁矩的方向是正负相间变化的。相邻的Fe原子和Cr原子之间是反铁磁性耦合的,Fe原子的d轨道和Cr原子的d轨道在费米能附近有一定程度的杂化。
对于Fe<,1>/Cr<,1>、Fe<,3>/Cr<,3>、Fe<,4>/Cr<,4>、Fe<,5>/Cr<,5>超晶格来说,随着Fe/Cr超晶格中m和n的逐渐增大,所有的Fe原子和处手中间层的Cr原子,其磁矩基本上是逐渐增大的;而处于边界处的Cr原子,其磁矩没有明显的变化趋势,原因是边界处的Cr原子的磁矩依赖于Fe原子的磁矩变化、Fe原子与Cr原子之间的耦合情况和中间层Cr原子的磁矩变化,而随着m和n的逐渐增大,这几种变化没有形成一个统一的趋势。
在(110)面,Fe<,3>/Cr<,1>、Fe<,3>/Cr<,3>、Fe<,3>/Cr<,5>超晶格体系中Fe层间铁磁耦合时的总能量更低,即铁磁耦合状态是基态。Fe层的磁矩由于Cr层的加入而有一些变化,Cr层的磁矩的方向是正负相间变化的。相邻的Fe原子和Cr原子之间是反铁磁性耦合的。因为Fe原子的d轨道和Cr原子的d轨道在费米能附近有较强的杂化,所以Cr层的磁矩受到抑制。计算表明,Cr层上出现了很小的磁矩。Cr层的磁矩由不同磁作用之间的微妙的平衡来决定。
比较三种超晶格Fe<,3>/Cr<,1>、Fe<,3>/Cr<,3>、Fe<,3>/Cr<,5>的磁性,就会发现,从Fe<,3>/Cr<,1>到Fe<,3>/Cr<,3>,再到Fe<,3>/Cr<,5>,随着Cr层的厚度逐渐增大,处于中间层的Cr原子磁矩逐渐增大,但是处于边界处Cr原子磁矩却逐渐减小;无论是处于中间层Fe原子,还是处于边界处的Fe原子,磁矩都逐渐减小,并且减小的趋势越来越明显。
通过对Fe/Cr超晶格在(001)面和(110)面的基态能量、电子结构、磁性等性质的研究,提供了大量有用的数据,得出了许多结论,对进一步研究其光学性质、磁光性质、磁致电阻等有重要的作用,而磁性超晶格的光学性质、磁光性质、磁致电阻等对于进一步开发和应用磁性材料有指导作用。