题目：新型Fe基磁致伸缩合金电子结构及磁致伸缩特性研究

磁致伸缩材料在大功率声纳系统、精密仪器平台的主动减震和航天飞行器姿态调整，以及精密加工、机器人、微机电系统等国防和民用高技术领域均有重要的应用前景，被列为二十一世纪战略新材料。近年来各种智能器件，特别是微电子、微机电（MEMS）器件和传感器兴起之后，对磁致伸缩材料提出了新的要求：需求一种更为灵敏（低场效应好）、更为有力（大的能量输出密度），磁致伸缩更大和能变形加工（具有良好机械性能）的新材料。因此，探索并开发具备低场效应（100-300 Oe）、高磁致伸缩形变量和良好的力学性能的新型磁致伸缩合金十分必要。非稀土的Fe基磁致伸缩合金具有应用磁场（～200 Oe）低、输出能量高，力学性能优异（塑性达到30%）和可加工性好的优良性质，有望发展成为一类新型的非稀土大磁致伸缩合金。目前，国际上对非稀土Fe基磁致伸缩合金的研究对象集中在FeGa和FeAl合金上，主要研究成分、结构和性能的关系，以期获得具备更大磁致伸缩效应的新型Fe基磁致伸缩合金。合金成分、结构和性能的关系研究表明：其晶体结构随着成分变化和原子占位有序化的不同非常复杂，尚未有直接实验证据确定产生Fe基大磁致伸缩现象的合金晶体结构。因此，本文选择前期研究中颇受关注及尚未确定的D03、modified-D03（也即B2-like结构）及L12三种晶体结构，以Fe-IIIA (IIIA=Al, Ga, In)合金为研究对象，应用第一原理计算其电子结构、弹性系数、磁晶各向异性、及晶体场效应和自旋轨道耦合效应对上述合金磁致伸缩特性的影响，首次设计并使用各向异性电子数法对材料磁晶各向异性进行了快速评估，并预测了Fe-IIIA (IIIA=Al, Ga, In)合金D03、B2-like及L12晶体结构的磁致伸缩理论值。研究结果表明：1. 计算了Fe-IIIA (IIIA=Al, Ga, In)合金电子结构及其体系能量，分析表明：D03、B2-like及L12结构的稳定性顺序为L12 D03 B2-like；且IIIA (IIIA=Al, Ga, In)原子电子层数的增加效应会显著作用于Fe原子电子结构，可能是Fe基合金产生大磁致伸缩的关键。2. 分析了Fe-IIIA (IIIA=Al, Ga, In)合金的电子结构，分析结果说明：Fe-Al及Fe-In合金B2-like相的电子结构特殊性决定其制备难度均高于Fe-Ga合金B2-like相的制备，因此难以在实验中直接观测到Fe-Al及Fe-In合金的大磁致伸缩现象。若能在Fe-Al合金中制备获得这种短程有序Ga原子对，则有望获得远高于目前Fe-Ga合金的大磁致伸缩效应。3. 分析影响第一原理计算Fe基磁性材料弹性系数结果准确度的因素可知，晶格常数是决定Fe基磁性材料弹性系数计算结果准确度的最关键因素，势函数的选择也影响其准确度。4. 采用FLAPW方法计算得到bcc-Fe的弹性系数C11、C12、和C44分别为246GPa、121GPa、113Gpa，相对于实验测量值，其计算误差分别为2％、17％、0.9％。CASTEP方法计算新型Fe-Ga磁致伸缩材料的弹性系数C11、C12、和C44分别为207GPa、166GPa及108Gpa，剪切模量为20.5Gpa，与实验测量值基本一致。5. 计算了Fe-IIIA (IIIA＝Al, Ga, In)合金弹性系数，计算结果表明，随着IIIA原子半径的增大，Fe-IIIA (IIIA=Al, Ga, In)合金体弹性模量逐渐减小。Fe-IIIA (IIIA＝Al, Ga, In)合金D03及L12结构的高泊松比说明材料具有较好的韧性，B2-like结构各向异性的泊松比表明其在弹性上的亚稳态。弹性系数计算结果说明，Fe-IIIA (IIIA＝Al, Ga, In)合金具有较好的弹塑性。6. 创新性的设计了轨道各向异性电子数法对Fe基合金磁晶各向异性进行快速评估。计算结果表明：晶体结构对Fe-IIIA (IIIA＝Al, Ga, In)合金的磁晶各向异性起关键作用，其中B2-like结构可以得到明显高于其他两种结构的磁晶各向异性，是Fe-IIIA (IIIA＝Al, Ga, In)合金产生大磁致伸缩的关键晶体结构。7. 研究了Fe基磁致伸缩合金中自旋轨道耦合效应及晶体场效应对磁致伸缩的作用，结果表明：Fe-Ga合金磁晶各向异性及磁致伸缩由晶体场效应起主要决定性作用，在Fe基新型磁致伸缩材料中制备获得大磁致伸缩合金的有效途径是制备特定晶体结构合金，如B2-like结构。8. 首次推导并得出四方结构磁致伸缩公式，用以分析Fe-IIIA (IIIA=Al, Ga, In)合金中关键的四方B2-like结构中磁致伸缩与弹性能及磁晶各向异性能之间的关系。9. 运用第一原理计算并预测了Fe-IIIA (IIIA=Al, Ga, In)合金理论磁致伸缩系数，计算结果表明：Fe-Al合金B2-like结构有望获得837ppm的大磁致伸缩。