纳米颗粒系统磁学性质的Monte Carlo模拟

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纳米磁性材料由于其特殊的磁学性能,近年来,在许多领域受到了广泛的应用。在基础理论研究中,人们提出了各种描述纳米磁性材料的理论;另一方面,计算机计算能力的提高,使得应用计算机进行材料设计成为可能。二者结合使计算机模拟成为研究纳米磁性材料的一种非常有效的手段。本文采用蒙特卡罗模拟方法,首先基于Stoner-Wohlfarth(SW)模型模拟了纳米磁性颗粒组成的具有偶极场、交换场和磁各向异性场简立方结构系统的磁化特性;其次模拟了纳米磁性颗粒组成的无序系统的磁化特性和磁熵变。所做工作和得到的主要结论如下: (1)从计算机模拟的角度来说:第一,提出了一种产生空间均匀分布单位矢量的方法,该方法简单可靠;第二,提出了一种直接在实空间中求长程力的高精度方法;第三,在模拟无序系统的磁熵变时提出了一个不同于传统的计算磁熵变的公式。 (2)从建立模型的角度来说:第一,把二维的SW模型扩展到了三维情况,通过分析,可把三维的情况下具有偶极场、交换场复杂系统转化为传统的二维SW模型处理,对此模型的求解是通过求解四次方程完成的,这为大量求解SW模型做好了准备工作;第二,完全考虑纳米磁性颗粒在低温时的热扰动,给出了一个修正的蒙特卡罗算法,并解决了和此算法相关的能量区域的判定问题。 (3)应用修正的蒙特卡罗算法,模拟了纳米磁性颗粒组成的具有偶极场、交换场和磁各向异性场简立方结构系统的磁化特性。对颗粒之间无相互作用的系统,模拟结果和实验具有一定的吻合度。当颗粒之间存在相互作用时,详细讨论了铁磁性交换场与反铁磁性偶极场的竞争对系统磁化行为的影响。模拟结果显示了三种典型的磁滞行为:纯磁各向异性场作用下的SW型磁滞、纯交换场作用下的矩形磁滞和弱磁各向异性场与强偶极场共同作用下的狭长形磁滞。模拟结果同时显示了SW型磁滞出现的温度区间小于后两者。为了更详尽的阐述两种作用场的竞争对系统磁化行为的影响,作出了不同温度下系统的D-J图,从图中可以方便的观察系统的剩磁和矫顽力随偶极场和交换场的变化关系。从D-J图发现系统的剩磁和矫顽力随偶极场和交换场呈现比较复杂的变化关系。系统的剩磁随着D的增加快速的减小,系统的剩磁和矫顽力都随系统温度的升高而减小。 (4)对无序系统的模拟结果显示:系统在低温时没有自发磁化现象,颗粒之间的偶极作用和单个颗粒磁各向异性对系统的磁化起阻碍作用;系统的磁矩对温度的一阶导数在系统快接近饱和的区域出现一个极值,并且系统的磁矩对温度的一阶导数出现极值所对应的外磁场和极值的大小随着磁各向异性能的增加其值有所减小;当系统不存在偶极场作用时,系统的磁熵变随温度呈单调递减关系;当系统之间存在偶极场作用时,系统的磁熵变在低温时候出现一个极大值。
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