密度泛函理論對高居里溫度Heusler鐵磁合金表面-界面能帶調(diào)整和相結(jié)構(gòu)調(diào)控的研究.pdf

1、密度泛函理論（Density Functional Theory，DFT）作為一種處理多電子體系的量子力學(xué)方法，已經(jīng)成為研究材料基態(tài)結(jié)構(gòu)等性質(zhì)的強有力工具；一方面可以探討材料物性的微觀機理，另一方面可以預(yù)測未知材料的特性，為實驗研究提供先導(dǎo)。本論文應(yīng)用密度泛函理論對高居里溫度Heusler鐵磁合金表面/界面能帶調(diào)整和相結(jié)構(gòu)調(diào)控進行了研究。
　　利用電子自旋自由度的自旋電子學(xué)器件由于具有更低的能耗、更強大的數(shù)據(jù)儲存能力以及更快速的信

2、息處理能力等優(yōu)點而得以迅速的發(fā)展。自旋電子學(xué)器件，如基于隧道磁電阻效應(yīng)的磁性隧道結(jié)和基于巨磁電阻效應(yīng)的自旋閥等，在硬盤驅(qū)動器超高速讀取磁頭、磁性隨機存儲器和磁傳感器等方面有著巨大的應(yīng)用潛力。一款優(yōu)秀的自旋電子學(xué)器件必須具備較高的隧道磁電阻值，而隧道磁電阻值嚴重依賴于電極材料的自旋極化率?；诿芏确汉碚撚嬎愕难芯勘砻鳎S多Heusler合金的自旋極化率高達100％，并且由于具有高于室溫的居里溫度以及與GaAs、MgO等半導(dǎo)體較小的晶格失

3、配率，成為自旋電子學(xué)器件中最佳電極材料之一。然而一些實驗指出，在制備出來的Heusler合金塊體中并沒有探測到理論上被證實的完全自旋極化。在以Heusler合金作為電極材料的磁隧道結(jié)雖然獲得了較高的隧道磁電阻值，但是依然沒有達到人們的預(yù)期；此外，隧道磁電阻值隨著溫度的升高而迅速降低。因此，為了揭示Heusler合金塊體中自旋極化率減弱以及隧道磁電阻值隨溫度降低的原因，尋找出可行的解決方案，推動自旋電子學(xué)器件的進一步發(fā)展，我們采用密度泛函

4、理論計算，對高居里溫度Heusler鐵磁合金及其表面/界面能帶調(diào)整和相結(jié)構(gòu)調(diào)控進行了研究。首先我們討論了Heusler合金塊體中原子無序、非化學(xué)配比對自旋極化率、磁性質(zhì)的影響。其次，我們進一步研究Heusler合金表面的電子結(jié)構(gòu)、原子弛豫以及磁性變化?；谝陨涎芯浚覀兲接懥薍eusler合金與半導(dǎo)體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)界面上原子相互作用、界面原子磁性、界面自旋極化率以及界面原子無序效應(yīng)。
　　我們具體做了以下幾方面的工作：
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5、.基于密度泛函理論方法，我們研究了Heusler合金的塊體性質(zhì)。首先，討論了LiMgPbSn型Heusler合金CoFeMnSi的電子結(jié)構(gòu)、磁性和半金屬性，發(fā)現(xiàn)CoFeMnSi的空間群為F43m，具有5.601?的計算晶格常數(shù)以及4μB的原胞總磁矩，并與實驗結(jié)果符合的很好。解釋了CoFeMnSi半金屬帶隙來源于Co、Fe和Mn三種磁性原子d電子軌道之間的相互雜化，指出磁矩滿足Slater-Pauling規(guī)律，晶格常數(shù)5.3?-5.65?

6、范圍內(nèi)均具有良好的半金屬性。由于Heusler合金的自旋極化率對結(jié)構(gòu)的改變非常敏感，因此我們進一步研究了原子無序效應(yīng)對CoFeMnSi電磁性質(zhì)的影響。在所構(gòu)建的12種占位無序結(jié)構(gòu)和6種交換無序結(jié)構(gòu)中，Co(Fe)、Mn(Fe)和Si(Mn)占位無序以及Co-Fe交換無序由于具有較低的形成能，在CoFeMnSi制備過程中出現(xiàn)的概率很大。電子結(jié)構(gòu)計算表明，原子無序效應(yīng)使得CoFeMnSi半金屬帶隙受到了不同程度的萎縮，然而除了Co(Mn)、

7、Co(Si)占位無序和Co-Mn、Co-Si交換無序徹底破壞了體系的半金屬性之外，其余原子無序結(jié)構(gòu)中均保持具有半金屬帶隙和100%的自旋極化率。因此LiMgPbSn型Heusler合金CoFeMnSi對大部分的原子無序具有良好的抵抗力，值得我們進一步的探索和利用。
　　此外，由于在以Co2MnSi為電極材料的磁隧道結(jié)中，Mn原子含量的增加會顯著提升隧道磁電阻值，受此啟示，我們利用密度泛函理論計算，探討了非化學(xué)配比的Cu2MnAl型

8、Heusler合金Co2MnAl中Mn原子含量對其自旋極化率的影響。計算結(jié)果顯示，Co2MnAl的空間群為Fm3m，在Mn-void、CoMn和 AlMn三種Mn貧結(jié)構(gòu)中，CoMn和AlMn由于形成能為負值，非常容易出現(xiàn)。在AlMn型Mn貧結(jié)構(gòu)中，隨著Mn原子含量的降低，體系的半金屬性和自旋極化率并未受到顯著地改變；與此不同的是，在CoMn型Mn貧結(jié)構(gòu)中，體系的自旋極化率隨著Mn原子含量的降低而大幅衰減，進一步的計算表明，雜質(zhì)Co原子的

9、介入是導(dǎo)致其自旋極化率受損的最主要原因。在MnCo和MnAl兩種Mn豐結(jié)構(gòu)中，MnCo最容易出現(xiàn)。在MnCo型Mn豐結(jié)構(gòu)中，體系磁性隨Mn原子含量的變化非常符合Slater-Pauling規(guī)律，電子結(jié)構(gòu)計算表明，當Mn原子含量α=1.875時，所對應(yīng)的合金Co1.125Mn1.875Al具有較寬的半金屬帶隙以及100%的自旋極化率，因此MnCo型 Mn豐結(jié)構(gòu)可以有效的提升非化學(xué)配比Co2MnAl的自旋極化率。
　　2.基于密度泛函

10、理論方法，研究了Hg2CuTi型Heusler合金Ti2CoAl(100)表面。計算表明，Ti2CoAl的空間群為F43m，在其(100)表面5種不原子端面結(jié)構(gòu)中，表面原子發(fā)生了不同程度的弛豫。此外，由于表面處體系的周期晶體場被破壞，表面原子喪失了一半的緊鄰原子，從而使得大部分表面原子的磁矩得到了增強。電子結(jié)構(gòu)計算指出，一些具有d電子特征的能態(tài)出現(xiàn)在表面原子自旋向下帶隙中，嚴重損壞了表面半金屬性；這些能態(tài)在第二層原子中能量降低，并且在第

11、三層原子中幾乎消失，我們推斷這些能態(tài)為表面態(tài)。因此，表面態(tài)的出現(xiàn)會造成Heusler合金表面自旋極化率的下降。
　　3.在對Heusler合金塊體和表面研究的基礎(chǔ)上，采用密度泛函理論計算，我們研究Heusler合金異質(zhì)結(jié)界面性質(zhì)。首先，構(gòu)建了LiMgPbSn型Heusler合金CoFeMnSi與半導(dǎo)體GaAs構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，根據(jù)界面原子連接方式的不同，共計算了4種頂位結(jié)構(gòu)界面和4種橋位結(jié)構(gòu)界面。我們發(fā)現(xiàn)，純Si原子界面在頂位和橋位結(jié)

12、構(gòu)中均可以穩(wěn)定存在，穩(wěn)定的CoFe原子界面存在于橋位結(jié)構(gòu)和Fe豐條件下的頂位結(jié)構(gòu)，而穩(wěn)定的MnSi和MnMn界面只存在于頂位結(jié)構(gòu)中。電子結(jié)構(gòu)計算表明，界面態(tài)的出現(xiàn)使得界面自旋極化率嚴重下降。然而在MnMn頂位結(jié)構(gòu)中，界面Mn原子保留了半金屬帶隙，界面自旋極化率高達100%。因此CoFeMnSi-MnMn/GaAs/CoFeMnSi-MnMn隧道結(jié)將會獲得較高隧道磁電阻。
　　最近，Hg2CuTi型Heusler合金Mn2CoAl已

13、被證實為自旋無隙半導(dǎo)體，電子和空穴都可以被激發(fā)并具有100%的自旋極化率，因此我們構(gòu)建了其與半導(dǎo)體GaAs組成的異質(zhì)結(jié)，并模擬了6種頂位結(jié)構(gòu)和6種橋位結(jié)構(gòu)界面。熱力學(xué)穩(wěn)定相圖指出，頂位結(jié)構(gòu)的純Mn原子界面最為穩(wěn)定也最容易獲得；通過對界面原子弛豫結(jié)果分析，我們發(fā)現(xiàn)界面Mn原子與界面As原子會形成穩(wěn)固的Mn-As鍵，而界面Co原子向內(nèi)層收縮，傾向與界面第二層原子成鍵。與在CoFeMnSi/GaAs或Co2MnSi/GaAs異質(zhì)結(jié)中不同的是，

14、在Mn2CoAl/GaAs異質(zhì)結(jié)中純Mn原子端面并沒有改善界面電子結(jié)構(gòu)，而處于頂位結(jié)構(gòu)的MnAl原子界面結(jié)構(gòu)擁有最高的自旋極化率，值得人們重點關(guān)注。
　　此外，由于在當今薄膜制備技術(shù)條件下，合金在生長過程中將會不可避免的發(fā)生原子無序，因此我們進一步的探討了界面原子無序?qū)n2CoAl/GaAs異質(zhì)結(jié)界面原子相互作用、磁性以及自旋極化率的影響。在所構(gòu)建的13種界面原子交換無序和16種界面原子占位無序中，計算結(jié)果表明界面Mn原子極易被