Feベース永久磁石材料のマテリアルデザインに向けて

1. Cr, Vの添加によるFeの磁性の増大
2. Sm2Fe17Nxの不純物添加効果

大阪大学大学院理学研究科

2012年3月17日土曜日

小倉昌子

Cr, VによるFeの磁性の増大

小倉昌子，赤井久純，金森順次郎
JPSJ 80 (2011) 104711.

2012年3月17日土曜日

Introduction✱ The Curie temperatures of Fe1-xVx (x0.1) and Fe1-xCrx (x 0.05) arehigher than that of pure Feʼs, while their saturation magnetizations aresmaller.

磁性体ハンドブック (朝倉書店, 1975) p.317.

2012年3月17日土曜日

Calculation

Density Functional Theory✱ KKR Greenʼs function method✱ LDAHeisenberg Model!
H = −2Jij S i · S j(i,j)

Liechtensteinʼsmethod
G(r, r ! ; E)

Jij

Mean ﬁeld
approximation
ρ(r), ρ(E)TC

A. I. Liechtenstein et al., JMMM 67 (1987) 65.

2012年3月17日土曜日

Fe:Cr Magnetic moment
Moment (μB/atom)
Fe:CrCr
Fe1
Fe2
Fe3
Fe4

pure Fe

2012年3月17日土曜日

Fe1

2.34

Fe2

2.38

Fe3

2.52

Fe4

2.61

Cr-1.80

total

2.10

Fe

2.33

total

2.30

Fe:Cr Density of states

20

40

Fe1

DOS (1/Ry/atom)

DOS (1/Ry/atom)

40020
40

-0.4

-0.20.0
Energy (Ry)0.2

DOS (1/Ry/atom)

DOS (1/Ry/atom)

Fe3

20

2012年3月17日土曜日

20-0.4-0.20.0
Energy (Ry)0.2-0.20.0
Energy (Ry)0.2

4004004040
2020Fe2-0.4-0.20.0
Energy (Ry)

0.2

20

Fe402040-0.4

d states of Fe and Co
FeEF

E



E


E

2012年3月17日土曜日

When Co exists in Fe ...
EFCo

FeE

d-d hybridizationE

2012年3月17日土曜日

When Cr exists in Fe ...
EF
Fe1

CrE

E

“Cobaltization”

2012年3月17日土曜日

Fe:Cr Exchange coupling constant
0.5
Fe1-Fe1
Fe1-Fe2
Fe1-Fe3
Fe1-Fe4
Fe2-Fe2

1.5
1.0

Exchange coupling constant Jij (mRy)

Exchange coupling constant Jij (mRy)

2.0
Fe2-Fe3
Fe2-Fe4
Fe3-Fe3
Fe3-Fe4
Fe4-Fe4

Fe-Fe of pure Fe

0.5
0.0
-0.5
0.8

1.0

1.2
1.4
1.6
Distance (a)

1.8

2.0

0.0
-0.5
-1.0
Cr-Fe1
Cr-Fe2
Cr-Fe3
Cr-Fe4

-1.5
-2.0
0.8

1.0

TC (K)

2012年3月17日土曜日

Fe:Cr1490

pure Fe

910

1.2
1.4
1.6
Distance (a)

1.8

2.0

Fe/Cr heterostructures
Fe15/Cr

Fe7/Cr..
.
Fe14/Cr2

Fe6/Cr2..
.
2012年3月17日土曜日

Fe15/Cr
CrFe

Cr

Magnetic moment (µB)

3pure Fe2
10-1

Jij (mRy)2
1pure Fe

0Cr

2012年3月17日土曜日

FeCr

Interlayer magnetic couplingE↑↑ < E↑↓E↑↑ > E↑↓2012年3月17日土曜日

Fe6/Cr2
CrFeCrFeCr

Magnetic moment (µB)

3pure Fe2
10-1-2-3

Jij (mRy)2
1pure Fe0Cr

2012年3月17日土曜日

FeCrFeCr

Fex/Cry Magnetization & transition temperature

pure Fe

2.0
1.5
1.0
0.5
0.00.02012年3月17日土曜日

Fex / CrFex / Cr2
Fex / Cr3

0.1

0.2
0.3
0.4
Concentration of Cr

1500

Curie / Néel temperature (K)Magnetization (µB/atom)

2.50.51000

50000Fex / Cr (P)Fex / Cr (AP)Fex / Cr2 (P)Fex / Cr2 (AP)Fex / Cr3 (P)Fex / Cr3 (AP)510
Number of Fe layers x15

pure FeApplication to permanent magnets✱ AF Fe/Cr heterostructure→ increase a magnetic anisotropy of permanent magnets
AF Fe/CrF Fe basedmaterialCo✱ Exchange anisotropy mechanism

Co with CoO✱ TN > TC of Fe✱ Free from rare earth elements

W. H. Meiklejohn et al., Phys. Rev. 105 (1957) 904.

2012年3月17日土曜日

Summary✱ We discuss the origin of the enhancement of magnetism of Fe by Cr/V onthe basis of ﬁrst-principles electronic structure calculation.

✱ The d states of Fe next to Cr/V are pushed down to the lower energy sidecompared to those of pure Fe due to the hybridization with Cr/V. Thus
“cobaltized” Fe atom enhances the magnetic moment of other Fe atoms.

✱ This idea is extended to design of a new type of high TN antiferromagnets
which could be used to increase a magnetic anisotropy of permanentmagnets.

2012年3月17日土曜日

Sm2Fe17Nxの不純物添加効果

小倉昌子，増山綾香，赤井久純

2012年3月17日土曜日

Introduction✱ Sm2Fe17 → Sm2Fe17Nx (x3)

✱ 6% volume expansion✱ TC: 389 → 752 (K)✱ Ms: 34.1 → 38.1 (μB/f.u.)Fe(9d)

K. Koyama et al., PRB 61 (2000) 9475.

✱ Magnetic anisotropy: in plane → c-axis

SmFe(18f)
Fe(6c)
Fe(18h) N
M. Katter et al., JMMM 117 (1992) 419.

✱ Volume expansion ?
✱ p-d hybridization ?

2012年3月17日土曜日

When a typical element exists in Fe ...
EFFeB
Ep-d hybridization

E“Cobaltization”

2012年3月17日土曜日

Magnetic moment

magnetic moment (µB/f.u.)

40spin moment
spin + orbital moment

structure Astructure B

3530

250

1
2x in Sm2Fe17Nx

3magnetic moment (µB/atom)

total moment

magnetic moment (µB/atom)

local spin moment
3.0

2.5

Fe(18h)Fe(18f)Fe(6c)
Fe(9d)

2.0

1.5-4.5-5.0

Sm-5.5-6.0

structure A-6.50

A: Sm2Fe17N2.9 (C.-J. Yang et al., JAP 74 (1993) 6824)
B: Sm2Fe17 (A. Teresiak et al., J. Alloys Comp. 319 (2001) 168)2012年3月17日土曜日

12x in Sm2Fe17Nx

3

Fe (6c)020

x=0
x=3-1.0

DOS (1/Ry/atom)

DOS (1/Ry/atom)

2020-0.50.0
energy (Ry)2012年3月17日土曜日

20-1.0Fe (18f)

20-0.50.0energy (Ry)

0.5Fe (9d)00.50-1.0

20

DOS (1/Ry/atom)

DOS (1/Ry/atom)

Local density of states of Fe

20-0.50.0energy (Ry)

0.5

-0.50.0
energy (Ry)0.5

Fe (18h)020-1.0

What happens?
EFFe

Sm
E

d-d hybridizationE

2012年3月17日土曜日

What happens?
NFeEF
Sm
E

p-d hybridization

covalent → ionicEcharge transfer to N

2012年3月17日土曜日

H. Akai et al., SSC 94 (1995) 509.

Magnetic crystalline anisotropy
charge transfer to N

1083K1 (MJ/m )6420-2structure A-4012x in Sm2Fe17Nx

3✱ Change in the charge distribution around the Sm site.

2012年3月17日土曜日

cSummary✱ We have investigated the inﬂuence of N to the magnetism of Sm2Fe17from the viewpoint of electronic structures.

✱ In Sm2Fe17, the d states of Fe are pushed down to the lower energy side
due to the hybridization with sd states of Sm. The p states of N push theFe and Sm states back to the higher energy side, which reduces the local
magnetic moments at the Fe and Sm sites.

✱ Charge transfer from Sm to N changes the charge distribution around theSm site. This is related to the change in the crystalline magnetic
anisotropy.

2012年3月17日土曜日