제일원리를 이용한 스트론튬 페라이트의 전자기적 특성 연구

Abstract

In this study, electro-magnetic properties of the strontium ferrite were theoretically investigated by Ab initio (first principle) method. The lattice constant, total energy, total magnetization, Fermi energy level of the strontium ferrite were theoretically calculated. The charge density (CD) and the density of state (DOS) of the strontium ferrite were analyzed for detail understanding the electronic structure. Also the influences of various additives on the magnetic properties of the strontium ferrite were analyzed to designed new composition of the strontium ferrite system with high magnetic characteristics. As shown in the results, the lattice constant of the strontium ferrite calculated that and b was 5.5367Å, and c was 23.1818Å. And the total energy of the strontium ferrite was -474.52 eV. Also the total magnetization of the strontium ferrite was 42.55 MB and Fermi energy level was 3.84 eV. This results are very similar to the experimentally reported values.[06] Based on the DOS results, the magnetic characteristics of the strontium ferrite were mainly influenced by Fe atoms at 10 position in the unit cell. When Fe atom at the 10 position in the unit cell was partially substituted with Mn, Co, Ni atoms respectively, the total magnetization was increased by Co, Mn, and Ni substitution order and the magnetic moment was increased by Ni, Co, and Mn substitution order respectively. But the crystal structure was a little unstable than the original one because the total energy was increased about 20 eV. In Case of the La-Mn co-doped strontium ferrite, the total energy was increased about 50 eV. But the La-Mn strontium ferrite has the superior magnetic property than the Mn strontium ferrite. This study has meaning that the electronic structure and the magnetic properties of the Sr-ferrite theoretically calculated using the first principle method. Also the new material development possibility of the La-Mn co-doped strontium ferrite was proposed to improve the magnetic properties of the strontium ferrite.; 제일원리(Ab initio) 방법을 이용하여 스트론튬 페라이트(strontium ferrite)의 전자기적 특성을 연구하였다. 또한 다양한 첨가물이 스트론튬 페라이트 결정구조의 안정성 및 전자구조에 미치는 영향을 분석하여 고자기적 특성을 지닌 스트론튬 페라이트 조성을 설계하였다. 본 연구의 제일원리 분석을 통해서, 스트론튬 페라이트의 이론적 격자상수는 a, b = 5.5367 Å, c = 23.1818 Å 이었고, 격자구조에 대한 총 에너지가 -474.52 eV로 계산되었다. 또한 총 자기모멘트(total magnetization)는 42.55 MB, 페르미 에너지(fermi energy)는 3.84 eV로 분석되어 실험적으로 보고 되고 있는 값과 유사한 결과를 얻었다.[4] 그리고 전자구조를 나타내는 전하밀도(Charge density), 전자상태밀도(density of state) 등을 분석한 결과, 스트론튬 페라이트의 자성특성에 크게 영향을 주는 10개의 철(Fe) 원자 위치를 알 수 있었다. 본 연구의 결과로부터, 자성특성에 가장 많은 영향을 주는 특정 원자점을 결정하고, 그 위치에 Mn, Co, Ni 원자로 치환하여 계산하였다. 그 때의 총 에너지는 20 eV 정도씩 높아져서 불안정한 구조로 계산되었지만, 각각의 총 자기모멘트는 Ni, Mn, Co 순으로 높게 나왔으며, 해당 원자별 자기모멘트는 Mn, Co, Ni 순으로 높게 계산되었다. 그리고 원자별 자기모멘트 값이 가장 우수한 망간-스트론튬 페라이트에서 Sr 원자 일부를 La 원자로 치환한 조성의 안정화에너지는 -404.58 eV로 기존 망간-스트론튬 페라이트 보다 50 eV 증가하였으나 총 자기모멘트 및 망간에 의한 자기모멘트가 향상된 것으로 분석되었다. 본 연구는 특정 원자에 대한 치환의 실험적 구현 가능성 보다 스트론튬 페라이트의 전자구조 및 자기특성을 이론적으로 계산하고, 첨가물에 의한 자성특성 분석을 통한 새로운 조성개발 가능성을 분석하는 방법을 제시하였다는데 큰 의미가 있다고 사료된다.