Ab-initio study of magnetic properties of complex oxides based on ferrites

Abstract

[EN] This PhD thesis investigates paths to improve the performance of nanostructured bicomponent permanent magnets (PMs) based on ferrites, using ab initio simulations of their magnetic properties. We focus on ferrites as an alternative to avoid rare-earths, whose extended use represents a serious economic, health and social problem. On one hand, the research work addresses specific practical problems of solutions devised to improve the performance of the nanostructured ferrite PMs. This includes evaluation of the magnetization of Ni ferrite upon inclusion of substitutional Zn atoms, or the role of the interfaces between cubic ferrites in the magnetic response of bicomponent systems that combine hard and soft magnets. On the other, the work tackles fundamental theoretical problems, identifying the relevance of different approximations inherent to the ab initio determination of the magnetic exchange constants of both hexagonal and cubic ferrites. This determination is at the basis of multiscale magnetic models widely used to simulate the magnetic response of nanostructured PMs. The main contributions of this work are: (i) to provide a fundamental ab initio description of hexagonal Strontium ferrite and cubic Ni, Co and Zn ferrites, both in their inverse and direct forms, identifying the large influence of the Hubbard U term on their magnetic properties; (ii) to quantify the influence of the approximations inherent to the mapping of ab initio energies to Heisenberg Hamiltonians in the values of the magnetic exchange constants; (iii) to identify the supremacy of Monte Carlo methods over mean field approaches to estimate magnetic ordering temperatures; (iv) to prove the origin of the decreased magnetization of Ni ferrite under Zn substiution, caused by the tendency of Zn to occupy octahedral sites; (v) to determine the features of the interfaces between Co ferrite and both Ni and Mn ferrites, evidencing strain as the main source of modifications, mainly regarding the magnetic anisotropy.

[ES] Esta tesis investiga cómo mejorar el rendimiento de imanes permanentes (IPs) nanoestructurados basados en sistemas bicomponente de ferritas, utilizando técnicas de primeros principios. Analizamos ferritas como alternativa a los imanes basados en tierras raras, elementos que representan una seria amenaza desde el punto de vista de la sostenibilidad, la economía y la salud. Por un lado, investigamos problemas prácticos asociados a algunas de las soluciones propuestas para mejorar el rendimiento de los IPs nanoestructurados de ferritas. Esto incluye la evaluación de la imanación de la ferrita de Ni cuando se introduce Zn sustitucional, o el análisis del papel de las intercaras de ferritas cúbicas en la respuesta magnética de sistemas bicomponente que combinan imanes blando y duro. Por otra parte, nuestra investigación aborda problemas teóricos fundamentales, identificando la relevancia de las diferentes aproximaciones inherentes a la determinación de las constantes de canje de ferritas cúbicas y hexagonales. Esta determinación constituye la base de los ampliamente extendidos modelos magnéticos multiescala que simulan la respuesta magnética de IPs nanoestructurados. Las contribuciones más relevantes de esta tesis son: (i) proporcionar la descripción fundamental de primeros principios de la ferrita hexagonal de Sr y las ferritas cúbicas de Ni, Co y Zn, en sus formas directa e inversa, identificando la enorme influencia del potencial local de Hubbard (U) en sus propiedades magnéticas; (ii) cuantificar la influencia de las aproximaciones inherentes al mapeo de energías ab initio a Hamiltonianos de Heisenberg para extraer las constantes de canje magnético; (iii) establecer la supremacía de los métodos de Monte Carlo sobre las aproximaciones de campo medio en la estimación de las temperaturas de orden magnético; (iv) demostrar el origen de la reducción de imanación de la ferrita de Ni cuando se introduce Zn sustitucional, debida a la tendencia de los átomos de Zn a ocupar posiciones de coordinación octahédrica; (v) determinar las características de las intercaras de ferritas de Co con ferritas de Mn y Ni, demostrando que la mayor fuente de modificaciones proviene de la aparición de tensiones estructurales, que afectan principalmente a la anisotropía magnética.