MedeA在磁性体材料中的应用

2018-11-15 14:57:22 来源:源资信息科技(上海)有限公司

ε-Ga0.5Fe1.5O3声子谱、远红外、红外光谱及拉曼光谱研究

1. 研究背景

ε-Fe2O3是Fe2O3的多形体,由于其具有较大矫顽力在25 kOe,高频毫米吸收等备受大家关注。Ga掺杂之后的ε-Ga0.5Fe1.5O3,其毫米波吸收频率与汽车毫米波雷达频率76Ghz一致,吸引了大量科学研究。本案例中,作者通过第一性原理研究了ε-Ga0.5Fe1.5O3声子谱,其中四面体Fe3+(S=5/2)被非磁性Ca3+(S=0)取代;随后作者又研究了ε-Ga0.5Fe1.5O3声子态密度、光跃迁距及原子运动状态;另外,作者也研究了了ε-Ga0.5Fe1.5O3纳米粒子的远红外、红外光谱和拉曼光谱。

2. 建模与计算方法

作者通过Welcome to MedeA Bundle中的InfoMaticA搜索了ε-Fe2O3的正交晶系结构,选取空间群为Pna21,随后采用Supercell Builder创建了ε-Fe2O3超晶胞。接着,采用Substitutional Search创建了Ga掺杂ε-Fe2O3结构,然后,作者采用MedeA-VASP模块中对ε-Ga0.5Fe1.5O3进行结构优化;随后用MedeA-Phonon模块计算了ε-Ga0.5Fe1.5O3声子态密度、红外光谱、拉曼光谱等性质。

3. 结果与讨论

3.1 ε-Ga0.5Fe1.5O3结构及声子谱

作者通过实验制备了ε-Ga0.5Fe1.5O3,然后采用MedeA-VASP模块对ε-Ga0.5Fe1.5O3掺杂结构进行优化,ε-Ga0.5Fe1.5O3的具体掺杂结构见图1。ε-Ga0.5Fe1.5O3结构中Fe3+位于八面体的A、B、C位,Ga3+位于四面体D位。随后作者采用MedeA-Phonon模块计算了红外光谱,见表1。表1展示了共振能量、对称性、红外和拉曼光谱。其中A1、A2、B1和B2对称性是拉曼活性,A1、B1及B2对称性是红外活性。

 

图1  ε-Ga0.5Fe1.5O3晶型结构。


表1  ε-Ga0.5Fe1.5O3声子振动模式。

 

3.2 ε-Ga0.5Fe1.5O3结构声子色散谱及红外光谱

ε-Ga0.5Fe1.5O3结构声子色散谱见图2a,图2b是ε-Ga0.5Fe1.5O3结构的声子态密度及Fe(A)-Fe(C),Ga(D),和O(1)-O(6)分波声子态密度。Fe和Ga是重金属元素在声子态密度中集中在低能量范围20-370cm-1;O是轻元素在能量范围370-720cm-1;而570-720cm-1高能量范围中,主要是Ga(D)、O(3)。

 

图2 (a) ε-Ga0.5Fe1.5O3结构声子色散谱; (b) ε-Ga0.5Fe1.5O3声子态密度,红色、黄色、蓝色、黑色分别表示Fe、Ga、O及总声子态密度。


红外振动模式在最低和最高能量跃迁处87.79(A1)及725.9cm-1(B1),在此能量范围内有117种声子振动模式。图3为红外光谱,87.79cm-1(A1)是最低振动模式,振动模式为Fe和Ga在ab-plane层中沿着a-axis方向移动,详见图3(左侧)和图4a。226.4cm-1(B2)处,在Ga(D)O4四面体上2个Ga(D)-O(3)键出现扭曲,并伴随着O(3)-Fe(B)-O(6)弯曲(见图4b)。在387.1cm-1、428.3cm-1、695.9cm-1及725.9cm-1等处振动模式见图4。

 

图3 红外光谱及声子振动模式。

 

图4ε-Ga0.5Fe1.5O3不同声子振动模式。(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. 总结与展望

本案例中,作者通过实验结合第一性原理的方法,研究了ε-Ga0.5Fe1.5O3结构声子色散谱及红外、拉曼光谱,ε-Ga0.5Fe1.5O3结构有117种光学振动模式(基础振动)和A1、A2、B1及B2对称性。Fe和Ga主要贡献在低能量范围,而O贡献在高能量范围。实验测得的远红外和红外光谱跟计算所测结果一致。本案例的研究具有非常重要的科学意义,为日后进一步研究ε-Ga0.5Fe1.5O3材料打下了坚实的基础。

参考文献:

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.

 

 

使用MedeA模块:  

l Welcome to MedeA Bundle

l MedeA-VASP

l MedeA-Phonon


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