元素掺杂与替代对SmFe$_{12}$基化合物电子结构与宏观磁性能的影响

通过对晶体场(CF)的详细分析，阐明了由于Sm位的价电子与配体的屏蔽核电荷而导致Sm离子磁各向异性(MA)增强的机制。为研究有限温度磁性质，我们针对SmFe$_{12}X$ ($X$=H, B, C, N)与SmFe$_{11}M$ ($M$=Ti, V, Co)建立了有效自旋模型，其中磁矩、CF参数与交换场由第一性原理计算确定。利用该模型，采用近期引入的解析方法[T. Yoshioka, H. Tsuchiura, and P. Novák, Phys. Rev. B {\bf 102}, 184410 (2020)]研究了有限温度下的MA常数与磁化曲线。在SmFe$_{12}X$中，假设掺杂轻元素$X$位于$2b$位；在SmFe$_{11}M$中，系统考察了Fe在所有不等价$8f$、$8i$与$8j$位的替代位点。我们发现，当氢掺杂至$2b$位、以及Fe在$8j$位被Ti或V替代时，由于长球形$4f$电子云被周围配体离子的屏蔽正电荷吸引，一阶MA常数$K_1$增大约两倍。我们发现当Fe被Co替代时，无论替代位点如何，MA在所有温度下均增大。被替代的Co吸引电子，降低了从Sm位到空$2b$位区域的电子密度，这使得Sm位的$4f$电子云沿$c$轴方向固定，从而改善MA。所计算的SmFe$_{11}$Co中$K_1(T)$与$K_2(T)$的温度依赖关系在$x$=0.1与0.07的Sm(Co$_x$Fe$_{1-x}$)$_{12}$情况下定性地再现了实验结果。