芯耀
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一、磁性材料的分类
磁性材料根据对外加磁场的响应，主要分为五大类：抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性。分类依据是材料的磁化率χ（χ > 0 为吸引，χ < 0 为排斥）。
1、抗磁性（Diamagnetism）
材料在磁场中产生反向磁场，被排斥。χ ≈ -10⁻⁵，很弱。所有材料都有抗磁贡献，但通常被其他磁性掩盖。抗磁性材料（如铜、水）中的电子会形成一个微小的、与外加磁场方向相反的磁矩，因此抗磁性材料通常表现为对磁场的排斥。
应用：用于磁悬浮演示、精密仪器磁屏蔽，或生物兼容材料（如水基组织）。
2、顺磁性（Paramagnetism）
材料被弱吸引，χ ≈ 10⁻⁵ ~ 10⁻³。未配对电子的自旋在外场下部分对齐，但热运动破坏秩序。顺磁性材料（如铝、铂）的特点是原子或分子磁矩在外磁场中可以被部分地排列，但这种排列在移除外磁场后会消失。
应用：顺磁性材料常用于磁制冷（如Gd盐）和MRI对比剂，因其在低温下磁矩易对齐。
3、铁磁性（Ferromagnetism）
强磁性，χ 可达10⁶，有剩磁和磁滞回线。内部磁畴在外场下对齐，居里温度以上转为顺磁。铁磁性材料（如铁、钴、镍）的原子磁矩在无外加磁场时也会自发地排列，形成较大的自发磁化。这些材料表现出极强的磁响应，这也是它们在电磁技术和数据存储领域中极其重要的原因。
应用：铁磁性是电磁技术核心，用于电机、变压器、数据存储（硬盘）和永磁体，因其高磁导率和剩磁。
4、亚铁磁性（Ferrimagnetism）
子晶格磁矩反平行但大小不等，净磁矩不为零。类似铁磁，但有补偿点。示例：磁铁矿（Fe₃O₄）、铁氧体。
应用：高频变压器、磁存储介质、微波器件。
5、反铁磁性（Antiferromagnetism）
相邻自旋反平行，净磁矩为零。内尔温度以上转为顺磁。示例：MnO、Cr。
应用：自旋电子学、量子计算中的自旋阀。
这些分类在纳米尺度或低温下可能出现变体，如超顺磁性。
二、磁畴结构与磁性能调控
磁畴是铁磁性材料中磁矩自发排列形成的微小区域，每个磁畴内的磁矩指向一致，磁畴之间则可能存在不同方向的磁矩排列。通过外加磁场或应力，可以改变磁畴的大小和方向，从而控制材料的磁性能。例如，在硬磁材料中，磁畴的方向一旦被固定，材料便能保持较强的剩余磁化状态，适用于制造永磁体。
通过材料制备技术和热处理等过程，可以实现对磁畴结构的调控，进而优化材料的磁性能，这对于磁性材料在各种应用中的性能至关重要。例如，通过精确控制磁畴的尺寸和排列，可以提高磁存储材料的记录密度，或增强磁传感器的灵敏度和精确度。
三、磁性材料的计算方法：以 VASP为例子
计算磁性材料主要用第一性原理方法预测电子结构、磁矩、磁有序等。主流软件包括VASP、Quantum ESPRESSO等，其中VASP是最受欢迎的商用DFT软件包，以精度高、功能全著称。
VASP计算磁性材料的优势
支持自旋极化计算（ISPIN=2），可设置初始磁矩（MAGMOM）。
处理铁磁、反铁磁、亚铁磁等有序。
支持DFT+U（ Hubbard模型）修正强关联（如过渡金属氧化物）。
可计算磁各向异性能量（MAE）、交换积分等。
准备输入文件
POSCAR：晶体结构（原子位置、晶格常数）。
INCAR：核心参数。磁性相关：
text
ISPIN = 2 # 自旋极化
MAGMOM = 4*2.0 2*-2.0 # 初始磁矩（例如Fe的反铁磁）
LORBIT = 11 # 输出投影磁矩
ISYM = 0 # 关闭对称（复杂磁有序时）
对于DFT+U：LDAU = .TRUE.，设置U值。
KPOINTS：k点网格（Gamma-centered或Monkhorst-Pack）。磁性计算需密网格（如8×8×8）。
POTCAR：赝势文件（PAW赝势推荐）。
运行计算
自洽计算（NSW=0）得到基态能量、磁矩。
非共线磁性（LNONCOLLINEAR=.TRUE.）用于复杂自旋纹理。
固定自旋矩（fixed spin moment）模拟外场。
后处理与分析
OUTCAR/OSZICAR：总能量、每个原子的磁矩。
VASPRUN.XML：用pymatgen或ASE解析。
计算MAE：不同自旋方向能量差。
交换参数：用四态法或线性响应。
四、常见问题与技巧
收敛性：ENCUT（截断能）至少400-600 eV；PREC=Accurate。
强关联：如NiO，用DFT+U（U≈4-6 eV）修正。
大体系：用VASPsol处理溶剂，或HSE06杂化泛函提高精度（但贵）。
并行：VASP支持MPI+OpenMP，高性能集群必备。
