Calculating temperature-dependent properties of Nd2Fe14B permanent magnets by atomistic spin model simulations

物理 磁化 能量(信号处理) 凝聚态物理 居里温度 订单(交换) 各向异性 各向异性能量 磁各向异性 结晶学 铁磁性 磁场 化学 量子力学 财务 经济
作者
Qihua Gong,Min Yi,Richard F. L. Evans,Bai‐Xiang Xu,Oliver Gutfleisch
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:99 (21) 被引量:47
标识
DOI:10.1103/physrevb.99.214409
摘要

Temperature-dependent magnetic properties of ${\mathrm{Nd}}_{2}{\mathrm{Fe}}_{14}\mathrm{B}$ permanent magnets, i.e., saturation magnetization ${M}_{\text{s}}(T)$, effective magnetic anisotropy constants ${K}_{i}^{\text{eff}}(T)\phantom{\rule{4pt}{0ex}}(i=1,2,3)$, domain-wall width ${\ensuremath{\delta}}_{w}(T)$, and exchange stiffness constant ${A}_{\text{e}}(T)$, are calculated by using ab initio informed atomistic spin model simulations. We construct the atomistic spin model Hamiltonian for ${\mathrm{Nd}}_{2}{\mathrm{Fe}}_{14}\mathrm{B}$ by using the Heisenberg exchange of $\mathrm{Fe}\ensuremath{-}\mathrm{Fe}$ and $\mathrm{Fe}\ensuremath{-}\mathrm{Nd}$ atomic pairs, the uniaxial single-ion anisotropy of Fe atoms, and the crystal-field energy of Nd ions, which is approximately expanded into an energy formula featured by second-, fourth-, and sixth-order phenomenological anisotropy constants. After applying a temperature rescaling strategy, we show that the calculated Curie temperature, spin-reorientation phenomenon, ${M}_{\text{s}}(T),{\ensuremath{\delta}}_{w}(T)$, and ${K}_{i}^{\text{eff}}(T)$, agree well with the experimental results. ${A}_{\text{e}}(T)$ is estimated through a general continuum description of the domain-wall profile by mapping atomistic magnetic moments to the macroscopic magnetization. ${A}_{\text{e}}$ is found to decrease more slowly than ${K}_{1}^{\text{eff}}$ with increasing temperature and approximately scale with normalized magnetization as ${A}_{\text{e}}(T)\ensuremath{\sim}{m}^{1.2}$. Specifically, the possible domain-wall configurations at temperatures below the spin-reorientation temperature and the associated ${\ensuremath{\delta}}_{w}$ and ${A}_{\text{e}}$ are identified. This work provokes a scale bridge between ab initio calculations and temperature-dependent micromagnetic simulations of Nd-Fe-B permanent magnets.
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