[논문]B2 구조 FeX(X = Al, Si, Ni, Ga, Ge, Sn) 합금의 자기변형에 대한 제일원리계산

이선철; 권오룡; 홍순철

doi:10.4283/jkms.2013.23.4.117

초록
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본 연구에서는 대표적인 강자성 금속인 Fe에 비자성 원소가 치환된 비교적 단순한 B2 구조의 FeX(X = Al, Si, Ni, Ga, Ge, Sn) 합금의 자기변형계수를 제일원리계산으로 수행하여 Fe 기반 합금이 희토류 원소 기반 자기변형 물질인 Terfenol을 대체할 수 있는 가능성을 탐색하였다. 계산방법으로 자성 연구에 가장 적합한 것으로 알려져 있는 총퍼텐셜 선형보강 평면파(Full-potential Linearized Augmented Plane Wave; FLAPW) 방법을 사용하였으며 일반화 물매근사(generalized gradient approximation: GGA)을 도입하여 전자 상호간의 교환-상관 퍼텐셜을 기술하였다. B2 구조의 FeX(X = Al, Si, Ni, Ga, Ge, Sn)의 합금들 중에 FeSi와 FeGe은 비자성 상태가, 그 외 나머지 합금은 강자성 상태가 안정된 것으로 계산되었다. FeAl, FeNi, FeGa, FeSn의 자기변형계수 는 각각 -5, +6, -84, -522ppm으로 계산되어 FeSn은 큰 자기변형을 가질 수도 있음을 예측하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study we investigated magnetism and magnetostriction of B2-structured FeX (X = Al, Si, Ni, Ga, Ge, and Sn) using a first-principles method, in order to survey the possibility of developing a transition metal based magnetostriction material. The Full-potential Linearized Augmented Plane Wave ...

In this study we investigated magnetism and magnetostriction of B2-structured FeX (X = Al, Si, Ni, Ga, Ge, and Sn) using a first-principles method, in order to survey the possibility of developing a transition metal based magnetostriction material. The Full-potential Linearized Augmented Plane Wave method was employed for solving the Kohn-Sham equation within the generalized gradient approximation for exchange-correlation interaction between electrons. FeX alloys are stabilized in ferromagnetic states except for the FeSi and FeGe alloys. Magnetostrcition coefficients of FeX (X = Al, Ni, Ga, and Sn) were calculated to be -5, +6, -84, -522ppm, respectively. It is noteworthy that the magnetostriction coefficient (-522ppm) of FeSn is larger than that (+400ppm) of Gafenol.

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문제 정의

본 연구에서는 자성 연구에 가장 적합한 방법으로 알려져 있는 총퍼텐셜 선형보강 평면파(full-potential linearized augmented plane wave; FLAPW) 방법을 사용하여 비교적 간단한 B2 구조의 여러 FeX(X = Al, Si, Ni, Ga, Ge, Sn) 합금의 자기변형계수를 계산함으로써 Fe 합금으로 자기변형 계수를 높일 수 있는 가능성을 탐색하고자 하였다.

제안 방법

FeX의 격자상수를 0.02 Å 간격으로 변화시키면서 총에너지를 계산하여 격자상수를 우선 구하였다.
교환-상관 퍼텐셜로 PerdewBurke-Ernzerhof 공식[12]을 사용하였다. 머핀틴(Muffin-Tin) 구 내부의 파동함수, 전하밀도, 퍼텐셜을 l_max = 8까지의 살창조화 함수(lattice harmonics)로 전개하였고, 머핀틴 반지름(MT-radius)은 Fe, Al, Ga, Ge, Ni의 경우에는 2.20 a.u.으로 두었으며 Sn과 Si는 각각 2.4, 2.0 a.u.를 사용하였다. 제일 브릴루앙 영역(Brillouin Zones)을 적분하기 위해 총 4200의 k-point를 사용하였고, 기저함수는 원자 당 약 100개를 사용하였다.
먼저 B2 구조의 FeX(X = Al, Si, Ni, Ga, Ge, Sn) 합금의 격자상수를 결정하기 위해 격자상수를 0.02 Å의 간격으로 변화시키면서 스핀분극 계산을 수행하였다.

대상 데이터

를 사용하였다. 제일 브릴루앙 영역(Brillouin Zones)을 적분하기 위해 총 4200의 k-point를 사용하였고, 기저함수는 원자 당 약 100개를 사용하였다. 자체충족과정은 전하밀도와 스핀밀도의 입력과 출력 간의 차이의 평균제곱근이 1 × 10⁻⁴ electron/(a.

이론/모형

FLAPW 방법[10]을 사용해서 Kohn-Sham 방정식[11]을 자체-충족적으로 풀었다. FLAPW 방법에서는 Poisson 방정식의 해를 구하는 데 있어 퍼텐셜이나 전하밀도에 대해 아무런 형태 어림을 취하지 않는다.
02 Å 간격으로 변화시키면서 총에너지를 계산하여 격자상수를 우선 구하였다. 교환-상관 퍼텐셜로 PerdewBurke-Ernzerhof 공식[12]을 사용하였다. 머핀틴(Muffin-Tin) 구 내부의 파동함수, 전하밀도, 퍼텐셜을 l_max = 8까지의 살창조화 함수(lattice harmonics)로 전개하였고, 머핀틴 반지름(MT-radius)은 Fe, Al, Ga, Ge, Ni의 경우에는 2.
본 연구는 자성연구에 가장 적합하다고 알려진 FLAPW (Full-pontnetial linearized augmented plane wave) 방법을 사용하여 B2 구조의 FeX(X = Al, Si, Ni, Ga, Ge, Sn)의 자기변형계수를 계산하였다. 교환-상관 퍼텐셜에는 일반화 물매 근사(General gradient approximation; GGA)를 사용하였다. B2 FeX(X = Al, Si, Ni, Ga, Ge, Sn)의 안정화 격자상수는 2.
본 연구는 자성연구에 가장 적합하다고 알려진 FLAPW (Full-pontnetial linearized augmented plane wave) 방법을 사용하여 B2 구조의 FeX(X = Al, Si, Ni, Ga, Ge, Sn)의 자기변형계수를 계산하였다. 교환-상관 퍼텐셜에는 일반화 물매 근사(General gradient approximation; GGA)를 사용하였다.

성능/효과

B2 FeX(X = Al, Si, Ni, Ga, Ge, Sn)의 안정화 격자상수는 2.882, 2.772, 2.913, 2.924, 2.862, 3.22 Å로 각각 나왔으며 FeSi와 FeGe의 경우에는 비자성 상태가, 그 외 FeAl, FeNi, FeGa, FeSn의 경우에는 강자성 상태가 안정하다는 것으로 계산되었다.
FeAl, FeNi, FeGa, FeSn 합금은 Table I에 나타낸 바와 같이 강자성 상태가 비자성상태에 비해 각각 36, 28, 44, 55 meV의 크지 않은 에너지차로 안정된 것으로 계산되었다. Sn의 원자가도 4임에도 불구하고 FeSn 합금이 강자성인 것은 Sn의 큰 원자 반지름에 의해 FeSn 합금의 격자상수(3.
FeSn 합금의 자기변형계수는 −522ppm으로 대표적인 전이금속 기반 자기변형물질인 Gafenol의 +400ppm보다 절대치로는 약 1.3배 높은 것으로 나왔다.
07 µ_B로 X의 자화방향은 Fe의 자화 방향과 반대 방향임을 알 수 있었다. 대체적으로 자성 원소 Ni를 제외한 비자성 원소 X는 Fe의 자기모멘트를 상당히 감소시켰으며 자성 원소 Ni은 Fe 자기모멘트를 약간 증가시키는 것을 알 수 있었다.
하지만 자기변형계수가 다른 합금에 비해 월등히 큰 다른 이유는 Table I의 정방변형 탄성계수(C') 계산치가 보여 주듯이 다른 합금 보다 B2 FeSn 합금의 정방변형 탄성계수가 4~9배 낮아서 식(1)의 작은 분모가 FeSn 합금의 큰 자기변형계수로 이어진다고 할 수 있겠다. 즉, 자성보다도 탄성이 FeSn 합금이 아주 큰 자기변형계수를 갖게 하는 데 더 중요한 역할을 함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자기변형 현상이란 무엇인가?	자성체에 자기장을 가하면 거의 모든 경우에 길이의 변화를 동반하는데 이러한 현상을 자기변형(magnetostriction)이라고 부른다. 1842년 제임스 쥴(James Joule)에 의해 강자성체인 니켈(Ni)에서 처음으로 발견된 이후[1] 코발트, 철 등의 합금에서도 자기변형 효과가 나타난다는 것을 발견하였으며 현재 여러 부분에서 응용되고 있는데 진동 발생기, 기계 진동 제어, 선형 모터, 초음파 발생기, 초음파 가공, 엑추에이터, 센서 등에서 응용되고 있다.
	희토류 기반 합금이 주목받게 된 이유는?	희토류 금속인 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 사마륨(Sm) 등에 철(Fe)을 혼합하여 제조된 합금에서 높은 자기변형효과가 관찰되면서 희토류 기반 합금이 주목을 받게 되었는데 예로 TbFe2와 SmFe2은 각각 ~2600ppm[2]과 ~2000ppm[3]의 아주 높은 자기변형계수를 가지는 것으로 보고되었다. 기계적인 특성이 개선된 Terfenol-D(Ter = Terbium, fe = iron, nol = Naval Ordnance Laboratory, D = Dysprosium)이 지금은 널리 사용되고 있고 대표적으로 Tb0.
	희토류 기반 합금의 문제점은?	95은 1500ppm의 자기변형계수를 보여 주고 있다. 하지만 희토류 금속은 가격이 매우 비싸고, 포화자화를 얻기 위해 높은 자기장을 요구되며 깨짐성이 큰 것이 단점이다. 더욱이 희귀성으로 인하여 언제라도 품귀 현상을 겪을 수 있다. 그러므로 지구상에 풍부한 원소인 철, 코발트, 니켈로 대체하는 방안을 모색하는 것이 절실하다.

참고문헌 (16)

J. P. Joule, Ann. Electr., Magn., Chem. 8, 219 (1842).
T. Miyazaki, T. Saito, and Y. Fujino, J. Magn. Magn. Mater. 171, 320 (1997).

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H. Samata, N. Fujiwara, Y. Nagata, T. Uchida, and M. D. Lan, J. Magn. Magn. Mater. 195, 376 (1999).

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A. E. Clark, K. B. Hathaway, M. Wun-Fogle, J. B. Restorff, T. A. Lograsso, V. M. Keppens, G. Petculescu, and R. A. Taylor, J. Appl. Phys. 93, 8621(2003).

상세보기
H. Wang, Z. D. Zhang, R. Wu, and L. Z. Sun, Acta Mater. 61, 2919 (2013).

상세보기
Y. Zhang, H. Wang, and R. Wu, Phys. Rev. B 86, 224410 (2012).

상세보기
W. Kim, S. C. Hong, J. Seo, S. J. Oh, H. G. Min, and J. S. Kim, Phys. Rev. B 70, 174453 (2004).

상세보기
W. Kim, S. J. Oh, J. Seo, H. G. Min, S. C. Hong, and J. S. Kim, Phys. Rev. B 65, 205407 (2002).

상세보기
R. Wu, J. Appl. Phys. 91, 7358 (2002).

상세보기
M. Weinert, E. Wimmer, and A. J. Freeman, Phys. Rev. B 26, 4571 (1982).

상세보기
W. Kohn and L. J. Sham, Phys, Rev. 140, A1133 (1965).

상세보기
J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 386 (1996).

상세보기
G. Rahman, I. G. Kim, and H. K. D. H. Bhadeshia, J. Appl. Phys. 111, 063503 (2012).

상세보기
S. C. Hong, W. S. Yun, and R. Wu, Phys. Rev. B 79, 054419 (2009).

상세보기
D. Odkhuu and S. C. Hong, J. Appl. Phys. 107, 09A945 (2010).

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D. Odkhuu, W. S. Yun, S. H. Rhim, and S. C. Hong, Appl. Phys. Lett. 98, 152502 (2011).

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B2 구조 FeX(X = Al, Si, Ni, Ga, Ge, Sn) 합금의 자기변형에 대한 제일원리계산
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