一项结合了密度泛函理论（DFT）和蒙特卡洛模拟的研究，用于模拟MnCo?Fe??xP（其中x=0.525、0.65和0.7）化合物的磁热效应以及磁性和电子性质

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：A DFT study combined with Monte Carlo simulation to model the magnetocaloric effect, magnetic, and electronic properties of the MnCo xFe 1-xP (with x?=?0.525, 0.65 and 0.7) compounds

该研究通过蒙特卡洛模拟和KKR-CPA结合FP-LAPW方法，系统分析了MnCo_xFe_(1-x)P（x=0.525,0.65,0.7）的电子结构、磁学性质及磁热效应。揭示了Co替代引起交换作用变化，导致铁磁-反铁磁相变温度（TAF→F）和居里温度（TC）随x增大而升高，磁熵变和相对冷却功率呈现非线性变化。该多尺度方法首次实现了微观电子结构（如费米能级态密度变化）与宏观磁热性能的定量关联，为合金化设计磁热材料提供了新视角。

　　

B. Boussaida | R. Masrour

摩洛哥菲斯市Dhar El Mahraz大学科学学院固体物理实验室，邮政信箱1796，Sidi Mohamed Ben Abdellah大学

摘要

我们利用蒙特卡洛模拟以及Korringa–Kohn–Rostoker方法结合相干势近似（KKR-CPA），并在Moruzzi、Janak和Williams（MJW）提出的局域密度近似（LDA）框架下使用线性增强平面波方法（FP-LAPW），计算了MnCo_xFe_1-xP系列化合物（其中x=0.525、0.65和0.7）的磁热效应、电子性质和磁性质。研究了MnCoxFe_1-xP的态密度和能带结构，并计算了磁性原子的总磁矩，并将其与理论和实验结果进行了比较。另一方面，还通过蒙特卡洛模拟研究了MnCo_xFe_1-xP的磁热效应，并估算了其磁相变温度。研究发现，随着钴含量的增加，居里温度也有所升高。同时，我们还分析了磁熵变化和相对冷却能力。

引言

根据Roger在1970年发表的文献，MnFe_1?xCo_xP固溶体系列的晶体结构特性和磁性质在临界点附近表现出密切的相关性，这一点通过(x, T)磁相图（见图1）可以观察到。根据钴含量，该相图可以分为三个主要部分：当x>0.8时，从铁磁态到顺磁态的转变伴随着钴含量减少时Tc的快速降低；在0.5< />_AF→F迅速增加；另一种是铁磁-顺磁转变，随着钴含量的减少T_C降低。最后，当x<0.5时，观察到直接的反铁磁-顺磁转变，奈尔温度T_N从300 K降至250 K。当x≈0.5且在低场强（300 Oe）下，T_AF→F、T_C和T_N在临界点处交汇，从而关闭了铁磁畴。Sredniawa等人最近发表了关于MnFe_1?xCo_xP系统的晶体结构、磁性和电子特性的新发现。他们使用X射线衍射方法确定了x=0.525、0.65和0.70时的晶格参数和原子位置。此外，还计算了x=0.45、0.50和0.525化合物的(P, T)磁相图，并利用Korringa–Kohn–Rostoker（KKR）模型和相干势近似（CPA）对电子能带结构进行了分析。确定了超精细场值，其中MnCoP的磁矩m_tot=3.02 μ_B/f.u，MnFeP的磁矩m_tot=3.62 μ_B/f.u。MnCoP的结果与实验数据吻合良好。此外，对实验中观察到的AF-F磁转变提供了一种可能的解释，即从MnFeP到MnCoP时费米能级附近的态密度（DOS）发生了变化[3]。Fruchart等人使用中子衍射对MnCoP粉末样品的研究表明，该化合物在低温下主要表现出铁磁性质，但其磁结构更为复杂。他们估计在T=77 K时，Mn和Co的磁矩分别为2.55 μ_B和0.65 μ_{BB和2.6 μBxFe1-xP在整个成分范围内的晶体和电子结构参数、磁矩及总能量[7]、[8]。系统的理论研究使我们能够确认Fe/Co原子在这些化合物中的优先占据位点。此外，还研究了合金成分变化对过渡金属晶格上磁矩的变化以及费米能级（EF）处态密度的某些影响。此外，全势半相对论KKR计算也被用来确认MnCoP的电子结构和磁矩。基于MnFeP的中子衍射实验结果[5]、[6]、[7]、[8]以及过渡金属原子间AF/F耦合发生的基本条件，考虑了多种反铁磁排列模型用于KKR-CPA计算[5]、[6]、[8]。}

第一性原理计算

我们使用了大阪大学的H. Akai开发的MACHIKANEYAMA2021v02程序，基于密度泛函理论（DFT）[9]对我们的化合物进行了第一性原理分析。该分析采用了Korringa Kohn Rostoker技术与相干势近似和局域密度近似（KKR-CPA-LDA）[10]相结合的方法。

研究对象

MnCo_xFe_1-xP（x=0.525、0.65和0.7）化合物属于正交Co₂P型晶体结构，空间群为Pnma（编号62），如图2所示。其室温下的晶格参数如表1所示，数据来源于B. ?redniawa等人的研究[2]。所有原子都位于相同的4c: (x, ?, z)位置，其中x和z表示可调的位置参数。

电子性质

材料的电子性质非常重要，因为它们可以用来确定材料的性质和理解其物理行为。

结论

总之，通过对不同成分（x=0.525、0.65和0.7）的MnCo_xFe_1-xP化合物进行蒙特卡洛模拟和Korringa–Kohn–Rostoker方法结合相干势近似（KKR-CPA）的研究，我们获得了有关其电子性质、磁性质和磁热效应的宝贵见解。主要发现如下：

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电子结构分析表明，价带和导带在费米能级处重叠，这证实了...

CRediT作者贡献声明

B. Boussaida：撰写 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，数据可视化，结果验证，项目监督，软件使用，资源管理，方法论设计，实验设计，数据分析，概念构建。

R. Masrour：撰写 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，数据可视化，结果验证，项目监督，软件使用，资源管理，方法论设计，实验设计，数据分析，概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。