納米顆粒系統(tǒng)磁學(xué)性質(zhì)的Monte Carlo模擬.pdf

1、納米磁性材料由于其特殊的磁學(xué)性能，近年來(lái)，在許多領(lǐng)域受到了廣泛的應(yīng)用。在基礎(chǔ)理論研究中，人們提出了各種描述納米磁性材料的理論；另一方面，計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，使得應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行材料設(shè)計(jì)成為可能。二者結(jié)合使計(jì)算機(jī)模擬成為研究納米磁性材料的一種非常有效的手段。本文采用蒙特卡羅模擬方法，首先基于Stoner-Wohlfarth(SW)模型模擬了納米磁性顆粒組成的具有偶極場(chǎng)、交換場(chǎng)和磁各向異性場(chǎng)簡(jiǎn)立方結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的磁化特性；其次模擬了納米磁性顆粒組

2、成的無(wú)序系統(tǒng)的磁化特性和磁熵變。所做工作和得到的主要結(jié)論如下： (1)從計(jì)算機(jī)模擬的角度來(lái)說(shuō)：第一，提出了一種產(chǎn)生空間均勻分布單位矢量的方法，該方法簡(jiǎn)單可靠；第二，提出了一種直接在實(shí)空間中求長(zhǎng)程力的高精度方法；第三，在模擬無(wú)序系統(tǒng)的磁熵變時(shí)提出了一個(gè)不同于傳統(tǒng)的計(jì)算磁熵變的公式。 (2)從建立模型的角度來(lái)說(shuō)：第一，把二維的SW模型擴(kuò)展到了三維情況，通過(guò)分析，可把三維的情況下具有偶極場(chǎng)、交換場(chǎng)復(fù)雜系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的二維SW模

3、型處理，對(duì)此模型的求解是通過(guò)求解四次方程完成的，這為大量求解SW模型做好了準(zhǔn)備工作；第二，完全考慮納米磁性顆粒在低溫時(shí)的熱擾動(dòng)，給出了一個(gè)修正的蒙特卡羅算法，并解決了和此算法相關(guān)的能量區(qū)域的判定問(wèn)題。 (3)應(yīng)用修正的蒙特卡羅算法，模擬了納米磁性顆粒組成的具有偶極場(chǎng)、交換場(chǎng)和磁各向異性場(chǎng)簡(jiǎn)立方結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的磁化特性。對(duì)顆粒之間無(wú)相互作用的系統(tǒng)，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)具有一定的吻合度。當(dāng)顆粒之間存在相互作用時(shí)，詳細(xì)討論了鐵磁性交換場(chǎng)與反鐵磁性

4、偶極場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)系統(tǒng)磁化行為的影響。模擬結(jié)果顯示了三種典型的磁滯行為：純磁各向異性場(chǎng)作用下的SW型磁滯、純交換場(chǎng)作用下的矩形磁滯和弱磁各向異性場(chǎng)與強(qiáng)偶極場(chǎng)共同作用下的狹長(zhǎng)形磁滯。模擬結(jié)果同時(shí)顯示了SW型磁滯出現(xiàn)的溫度區(qū)間小于后兩者。為了更詳盡的闡述兩種作用場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)系統(tǒng)磁化行為的影響，作出了不同溫度下系統(tǒng)的D-J圖，從圖中可以方便的觀察系統(tǒng)的剩磁和矯頑力隨偶極場(chǎng)和交換場(chǎng)的變化關(guān)系。從D-J圖發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的剩磁和矯頑力隨偶極場(chǎng)和交換場(chǎng)呈現(xiàn)比較復(fù)

5、雜的變化關(guān)系。系統(tǒng)的剩磁隨著D的增加快速的減小，系統(tǒng)的剩磁和矯頑力都隨系統(tǒng)溫度的升高而減小。 (4)對(duì)無(wú)序系統(tǒng)的模擬結(jié)果顯示：系統(tǒng)在低溫時(shí)沒(méi)有自發(fā)磁化現(xiàn)象，顆粒之間的偶極作用和單個(gè)顆粒磁各向異性對(duì)系統(tǒng)的磁化起阻礙作用；系統(tǒng)的磁矩對(duì)溫度的一階導(dǎo)數(shù)在系統(tǒng)快接近飽和的區(qū)域出現(xiàn)一個(gè)極值，并且系統(tǒng)的磁矩對(duì)溫度的一階導(dǎo)數(shù)出現(xiàn)極值所對(duì)應(yīng)的外磁場(chǎng)和極值的大小隨著磁各向異性能的增加其值有所減??；當(dāng)系統(tǒng)不存在偶極場(chǎng)作用時(shí)，系統(tǒng)的磁熵變隨溫度呈單調(diào)遞