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北京石油化工学院2025年硕士研究生招生接受调剂公告
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bobo1212

新虫 (小有名气)

[求助] 真心求教:Cu2O掺杂过渡金属的磁性能。问题非常具体,希望懂的给指点一下已有1人参与

我毕业设计的内容是:氧化亚铜掺杂磁性能的模拟和计算。
    我的实验过程是:建立单胞——结构优化——建立超胞——替换原子(掺杂)——结构优化——计算能量。。

    现在已经做出了一些结果,但是里面有几个很关键的问难不懂。希望懂这方面的师兄师姐,可以针对里面任何一个问题给指点一下!

    1.关于判断掺杂后有无磁性
        我看到在别的帖子中说,在计算结果中只要查看两个参量就可以判断有无磁性。比如我算的这个结果:
                     2*Integrated Spin Density   =     5.00000   
                     2*Integrated |Spin Density| =     5.21788  

        帖子中说:如果这两个值相等,则说明是有磁性的。我认为以上两个数值近似相等,可以认为有磁性。
        我的问题是:一般结果不会完全相等,只能是近似。那么两个值偏离多大就认为不是近似相等?这个临界差值是多少?这个差值是具体文献中提到的,还是仅仅是大家的经验?


   2.关于磁性大小怎么看
    在计算后的结果中,有这样一栏:

  Atomic Populations (Mulliken)
     -----------------------------
Species   Ion     s      p      d      f     Total  Charge (e)  Spin (hbar)
===========================================================================
  O        1     1.82   4.85   0.00   0.00   6.67    -0.67        0.01
  O        2     1.83   4.83   0.00   0.00   6.66    -0.66        0.02
  O        3     1.82   4.84   0.00   0.00   6.67    -0.67        0.01
  O        4     1.83   4.86   0.00   0.00   6.69    -0.69        0.03
  O        5     1.82   4.84   0.00   0.00   6.67    -0.67        0.01
  O        6     1.82   4.84   0.00   0.00   6.67    -0.67        0.01
  O        7     1.83   4.83   0.00   0.00   6.66    -0.66        0.02
  O        8     1.83   4.83   0.00   0.00   6.66    -0.66        0.02      (后面省略)

     这里面最后一项 spin 显示的是每个原子的磁矩大小。
     问题:体系总磁矩是不是等于所有原子的磁矩相加?也就是把所有原子那个数值加起来就行? 关于这个我请教过别人,他的看法是不能直接相加等于体系总磁矩,但是不能肯定,也说不出原因。。如果直接相加不行,那么体系的总磁矩怎么看?在哪看?


   3.关于初始自旋参数设置
            我是要把过渡金属原子 Mn Fe Co Ni 分别替换掉一个 Cu 原子来进行。在我算 Fe 的掺杂时,设置 modify——electronic configuration 菜单里,spin 选项卡里的 formal spin 中,spin state里选择了 high spin state,又因为铁原子的 3d6 结构,spin里数值填了+4。计算结果与文献差不多。
   
          问题:对于其他几个原子,Mn Co Ni 的 spin 值是不是也根据其结构,分别为+5,+3,+2 ? 因为看到有帖子说过渡金属原子初始自旋不能设的太小,否则收敛不会来,但是最大为5且不会超过5。那么Mn Fe Co Ni是要都设置在4-5吗?如果Co和Ni设置为3和2,是不是就不对了?
   
          另外对于 Hubbard U,这四个原子的d轨道默认值都是2.5eV,但在文献里看到他把Fe的d轨道设置为了5eV。有人说这个值一般取默认的就行,那么对于计算磁性能,这个值取默认对结果有影响吗?如果有影响,对于Mn Co Ni,其d轨道应该设置为多少比较好?(PS:实验中我取的值,Mn-5.5,Fe-5,Co-4.5,Ni-4)


4.关于DOS图看磁性能
          在一篇Mn掺杂ZnO的文献里,它是对比总体系的自旋向上和向下的DOS图。说在费米能力附近,如果不对称,则说明有磁性,如果对称则说明无磁性。但是从他的图中看,他说的有磁性的那个DOS图对比一下,感觉费米能级附近不对称的程度很低,而我做出的Fe的DOS图也是这样,不对称度很低。
   
         问题:看费米能级附近对称性来判断磁性能的原因是?为什么只看费米能级附近,而不需要看其他离的远的地方?
     
          此外,如果要解释掺杂后磁性变化的原因,应该从什么角度入手?(我目前的想法是从p-d杂化)在ZnO的那篇文献中,它给了Zn的s轨道,Mn的d轨道,O的p轨道的DOS图。我不明白的地方是Zn不应该也看d轨道吗?为什么要看S轨道?


对于以上问题中的任何一个,如果您有相关了解,都可以回复!再次谢过!
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mywai520

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【答案】应助回帖

★ ★ ★ ★ ★ ★
感谢参与,应助指数 +1
bobo1212: 金币+6, ★★★很有帮助 2014-04-23 19:03:49
1. 磁矩大小看你计算完后有几个玻尔磁子的磁矩,其实过渡金属参杂的磁矩来源主要是金属本身,完全可以预测磁矩的大小。也可以像你说的去看看,比较一下预测与计算是有实际意义的。   若是磁矩不一样,说明你的参杂还存在p型或n型参杂的可能。也就是你的金属原子替代Cu,金属原子外层电子比Cu多或者少。

2.你这样看到的是各个原子的磁矩大小,但会小于总磁矩。因为间隙还有一部分自旋电子的分布,还有间隙磁矩。只有两部分加起来才是总磁矩。



3. 初始磁矩都有默认值,一般默认即可,只要不是设置的小的离谱,对结果没有什么影响。初始值设置的越接近实验室结果越容易收敛。逼近计算的结果基本上是为实验室服务的,需要统一。统一了才能说明计算是可靠的,软件本身这个问题是完美解决的。

4. DOS中自旋向上或者向下不对称,且不对称的部分大小不一致,那么会出现磁矩。不一定是 fermi能附近。但是参杂后杂志态都是出现在fermi能附近。所有别人建议看fermi能附近是有道理的,但是也不能硬搬说就是这样。

p-d杂化的考虑是正确的。文献为了给出全面的数据,说明磁矩的来源是p-d杂化,当然需要把s轨道给出,并说s轨道对结果的影响有限。主要来源于p-d 杂化。


另给出建议:你的设计有些落伍,金属原子参杂的稀磁半导体研究大概是2005左右的热点,后来出现d0参杂的研究。现状这块并不是热点。甚至有文章说这种参杂不可能,且稀磁半导体室温下的不可能性。  所有要做好文章是不可能,但是作为练习或者不需要发文章的研究生毕业论文还是可以的。  当然你的导师很牛,这样的文章也是能发的,主要看你的理论功底了。 不过从你的想用p-d来解释,说明你们组么有自己的理论体系,只是套用别人的。 那么建议若是有文章就不要往3.0以上的杂志投了。
2楼2014-04-22 08:11:52
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bobo1212

新虫 (小有名气)

引用回帖:
2楼: Originally posted by mywai520 at 2014-04-22 08:11:52
1. 磁矩大小看你计算完后有几个玻尔磁子的磁矩,其实过渡金属参杂的磁矩来源主要是金属本身,完全可以预测磁矩的大小。也可以像你说的去看看,比较一下预测与计算是有实际意义的。   若是磁矩不一样,说明你的参杂还 ...

首先谢谢你的解答,很详细!
这个内容只是做毕业设计的。。但是关于你说的最后一点,我看到有文章说他在氧化亚铜里面掺杂,成功获得了较高居里温度的稀磁半导体。

对于自旋参数设置,我还想问的是:
对于Ni元素的掺杂,我分别计算了采取默认值spin为+1,Hubbard U里的d值为2.5eV;以及spin为+4,Hubbard U里的d值为4.0eV。。结果前者Ni 对其他原子影响很小,而后者对其他原子磁矩影响很大,甚至超过Mn和Fe(但因为Ni 本身磁性小,总磁矩还是小于加Mn和Fe的)。

问题:这两个数据哪个比较可靠?我是要比较四个过渡金属掺杂的区别,是不是他们的初始spin值最好都设置一样大?还是略有区别比较好?我是想对Mn Fe Go Ni 初始自旋分别设为5.5 ,5.0, 4.5, 4.0。

希望你能再解答一下!
3楼2014-04-23 19:15:49
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mywai520

铁杆木虫 (著名写手)


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3楼: Originally posted by bobo1212 at 2014-04-23 19:15:49
首先谢谢你的解答,很详细!
这个内容只是做毕业设计的。。但是关于你说的最后一点,我看到有文章说他在氧化亚铜里面掺杂,成功获得了较高居里温度的稀磁半导体。

对于自旋参数设置,我还想问的是:
对于Ni元 ...

你觉得哪个对你分析结果更有利就用哪个
4楼2014-04-23 21:43:14
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bobo1212

新虫 (小有名气)

引用回帖:
4楼: Originally posted by mywai520 at 2014-04-23 21:43:14
你觉得哪个对你分析结果更有利就用哪个...

还想在请教一个问题
    就是现在我的模拟掺杂只是根据自己的选择把一个原子进行了替代,那么相对来说为什么选择这个原子替代应该是有一定原因的,需要一个理论依据的话,那我能不能再通过模拟,来知道在一个晶胞中掺杂原则原子的位置,是替换了哪个原子还是出现在间隙(也就是掺杂行为本身的过程),这个能不能模拟?应该从什么思路出发?大概怎么操作?
5楼2014-04-26 21:41:34
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mywai520

铁杆木虫 (著名写手)


引用回帖:
5楼: Originally posted by bobo1212 at 2014-04-26 21:41:34
还想在请教一个问题
    就是现在我的模拟掺杂只是根据自己的选择把一个原子进行了替代,那么相对来说为什么选择这个原子替代应该是有一定原因的,需要一个理论依据的话,那我能不能再通过模拟,来知道在一个晶胞 ...

你的替代其实是有一定限制的,一般都是金属去替代金属,非金属替代非金属。还有一些结构出现换位。Cu2O没有换位的这种可能。
要说绝对的规范那是没有的,但是可以从形成能判定你的参杂的可能性。形成能基本上是不可能参杂进去的。
最后就行进行分子动力学,若是参杂不稳,杂质原子会跑出来的。
6楼2014-04-26 22:33:12
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bobo1212

新虫 (小有名气)

引用回帖:
6楼: Originally posted by mywai520 at 2014-04-26 22:33:12
你的替代其实是有一定限制的,一般都是金属去替代金属,非金属替代非金属。还有一些结构出现换位。Cu2O没有换位的这种可能。
要说绝对的规范那是没有的,但是可以从形成能判定你的参杂的可能性。形成能基本上是不 ...

你说的   但是可以从形成能判定你的参杂的可能性。形成能基本上是不可能参杂进去的。     这句话怎么理解?还有,形成能数值是在哪看?
最后就行进行分子动力学,若是参杂不稳,杂质原子会跑出来的         这个分子动力学可以模拟吗?
7楼2014-04-26 23:52:55
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mywai520

铁杆木虫 (著名写手)


引用回帖:
7楼: Originally posted by bobo1212 at 2014-04-26 23:52:55
你说的   但是可以从形成能判定你的参杂的可能性。形成能基本上是不可能参杂进去的。     这句话怎么理解?还有,形成能数值是在哪看?
最后就行进行分子动力学,若是参杂不稳,杂质原子会跑出来的         这个分 ...

形成能太高就说明参杂不进去
8楼2014-04-26 23:55:37
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cmrxyb

银虫 (初入文坛)

引用回帖:
3楼: Originally posted by bobo1212 at 2014-04-23 19:15:49
首先谢谢你的解答,很详细!
这个内容只是做毕业设计的。。但是关于你说的最后一点,我看到有文章说他在氧化亚铜里面掺杂,成功获得了较高居里温度的稀磁半导体。

对于自旋参数设置,我还想问的是:
对于Ni元 ...

我最近也在做相关方面的研究,想请问下楼主,需要给Cu2O中Cu和O原子一初始自旋吗?希望你解答下,多谢
9楼2014-09-09 19:48:00
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