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    1. MedeA案例三十四:MedeA在磁性體材料中的應用

      2018-11-15 14:57:22 來源:源資信息科技(上海)有限公司

      ε-Ga0.5Fe1.5O3聲子譜、遠紅外、紅外光譜及拉曼光譜研究

      1.?研究背景

      ε-Fe2O3是Fe2O3的多形體,由于其具有較大矯頑力在25 kOe,高頻毫米吸收等備受大家關注。Ga摻雜之后的ε-Ga0.5Fe1.5O3,其毫米波吸收頻率與汽車毫米波雷達頻率76Ghz一致,吸引了大量科學研究。本案例中,作者通過第一性原理研究了ε-Ga0.5Fe1.5O3聲子譜,其中四面體Fe3+(S=5/2)被非磁性Ca3+(S=0)取代;隨后作者又研究了ε-Ga0.5Fe1.5O3聲子態密度、光躍遷距及原子運動狀態;另外,作者也研究了了ε-Ga0.5Fe1.5O3納米粒子的遠紅外、紅外光譜和拉曼光譜。

      2.?建模與計算方法

      作者通過Welcome to MedeA Bundle中的InfoMaticA搜索了ε-Fe2O3的正交晶系結構,選取空間群為Pna21,隨后采用Supercell?Builder創建了ε-Fe2O3超晶胞。接著,采用Substitutional?Search創建了Ga摻雜ε-Fe2O3結構,然后,作者采用MedeA-VASP模塊中對ε-Ga0.5Fe1.5O3進行結構優化;隨后用MedeA-Phonon模塊計算了ε-Ga0.5Fe1.5O3聲子態密度、紅外光譜、拉曼光譜等性質。

      3.?結果與討論

      3.1?ε-Ga0.5Fe1.5O3結構及聲子譜

      作者通過實驗制備了ε-Ga0.5Fe1.5O3,然后采用MedeA-VASP模塊對ε-Ga0.5Fe1.5O3摻雜結構進行優化,ε-Ga0.5Fe1.5O3的具體摻雜結構見圖1。ε-Ga0.5Fe1.5O3結構中Fe3+位于八面體的A、B、C位,Ga3+位于四面體D位。隨后作者采用MedeA-Phonon模塊計算了紅外光譜,見表1。表1展示了共振能量、對稱性、紅外和拉曼光譜。其中A1、A2、B1和B2對稱性是拉曼活性,A1、B1及B2對稱性是紅外活性。

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      圖1 ?ε-Ga0.5Fe1.5O3晶型結構。


      表1 ?ε-Ga0.5Fe1.5O3聲子振動模式。

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      3.2?ε-Ga0.5Fe1.5O3結構聲子色散譜及紅外光譜

      ε-Ga0.5Fe1.5O3結構聲子色散譜見圖2a,圖2b是ε-Ga0.5Fe1.5O3結構的聲子態密度及Fe(A)-Fe(C),Ga(D),和O(1)-O(6)分波聲子態密度。Fe和Ga是重金屬元素在聲子態密度中集中在低能量范圍20-370cm-1;O是輕元素在能量范圍370-720cm-1;而570-720cm-1高能量范圍中,主要是Ga(D)、O(3)。

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      圖2 (a)?ε-Ga0.5Fe1.5O3結構聲子色散譜;?(b)?ε-Ga0.5Fe1.5O3聲子態密度,紅色、黃色、藍色、黑色分別表示Fe、Ga、O及總聲子態密度。


      紅外振動模式在最低和最高能量躍遷處87.79(A1)及725.9cm-1(B1),在此能量范圍內有117種聲子振動模式。圖3為紅外光譜,87.79cm-1(A1)是最低振動模式,振動模式為Fe和Ga在ab-plane層中沿著a-axis方向移動,詳見圖3(左側)和圖4a。226.4cm-1(B2)處,在Ga(D)O4四面體上2個Ga(D)-O(3)鍵出現扭曲,并伴隨著O(3)-Fe(B)-O(6)彎曲(見圖4b)。在387.1cm-1、428.3cm-1、695.9cm-1及725.9cm-1等處振動模式見圖4。

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      圖3 紅外光譜及聲子振動模式。

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      圖4ε-Ga0.5Fe1.5O3不同聲子振動模式。(a) 87.79 (b) 226.4 (c) 387.1 (d) 428.3 (e) 695.8 (f) 725.9 (g) 97.77及(h) 705.6 cm-1-。

      4.?總結與展望

      本案例中,作者通過實驗結合第一性原理的方法,研究了ε-Ga0.5Fe1.5O3結構聲子色散譜及紅外、拉曼光譜,ε-Ga0.5Fe1.5O3結構有117種光學振動模式(基礎振動)和A1、A2、B1及B2對稱性。Fe和Ga主要貢獻在低能量范圍,而O貢獻在高能量范圍。實驗測得的遠紅外和紅外光譜跟計算所測結果一致。本案例的研究具有非常重要的科學意義,為日后進一步研究ε-Ga0.5Fe1.5O3材料打下了堅實的基礎。

      參考文獻:

      Shin-ichi?Ohkoshi, Marie Yoshikiyo, Yoshikazu Umeta, Masaya Komine, Rei Fujiwara, Hiroko Tokoro, Kouji Chiba, Takeo Soejima, Asuka Namai, Yasuto Miyamoto, and Tomomichi Nasu .Phonon-Mode Calculation, Far-and Mid-Infrared, and Raman Spectra of an ε-Ga0.5Fe1.5O3 Magnet.. J.Phys.Chem.C. 2017, 121, 5812-5819.

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      使用MedeA模塊: ?

      l?Welcome to MedeA Bundle

      l?MedeA-VASP

      l?MedeA-Phonon


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