Fe4N电子结构：揭秘高温氮化下强磁性差异

本文主要探讨了在高温氮化条件下形成的铁氮化合物Fe4N的电子结构和磁性特性。Fe4N是由四个铁原子占据不同位置与一个氮原子结合的化合物，研究的重点在于理解其中不同占位的铁原子——顶角Fe(Ⅰ)和面心Fe(Ⅱ)的磁矩差异。作者采用密度泛函理论（DFT）下的第一性原理平面波赝势方法，首先基于实验测定的晶体结构参数，如空间结构群、晶格常数和原子坐标，构建了Fe4N的晶体模型，并进行了几何优化，以获得最稳定的结构。 研究结果显示，N原子的磁矩非常小，仅为0.06μB，而顶角Fe(Ⅰ)的磁矩显著增大，达到2.94μB，面心Fe(Ⅱ)的磁矩则稍弱，为2.32μB。磁矩的差异主要通过对Mulliken电荷分布的细致分析来解释，面心Fe(Ⅱ)的磁矩较小，是因为它与中心氮原子之间的共价作用较强，导致其磁性相对较弱。相比之下，顶角Fe(Ⅰ)与氮原子间的相互作用较弱，使得其自旋状态更容易产生明显的自旋劈裂，尤其是在费米能级附近，这种自旋劈裂现象解释了为什么顶角Fe(Ⅰ)具有较大的磁矩。 该研究不仅验证了实验数据和先前计算结果的一致性，还揭示了Fe4N中电子结构对磁性的重要影响。通过分析各原子的自旋态密度图，进一步确认了铁原子的磁矩来源，以及它们如何因化学环境的不同而表现出不同的磁性行为。这项工作对于理解铁氮化合物的磁性调控以及设计新型磁性材料具有重要意义，同时也展示了密度泛函理论在凝聚态物理中的应用价值。