Mn基Heusler合金的半金屬亞鐵磁性質(zhì)研究.pdf

1、近年來，在電子的輸運過程中，操作和利用電子的另一內(nèi)稟特性-“自旋”受到人們的重視，并由此在凝聚態(tài)物理中產(chǎn)生了一門新的前沿學科一自旋電子學。傳統(tǒng)的電子元件，如二極管和三極管，它們的信息載體都是電子電荷，電子的自旋沒有被利用。半導體自旋電子學的研究表明，稀磁半導體能夠同時利用電子的電荷和自旋來進行信息的處理和存儲。但目前的關(guān)鍵問題是自旋極化電子注入到半導體材料中的效率很低，這就需要尋找高自旋極化度的磁性材料。半金屬磁體是一種具有特殊能帶結(jié)構(gòu)

2、的化合物材料。這種材料在能帶結(jié)構(gòu)的兩種電子自旋取向上呈現(xiàn)出不同的性質(zhì)：其中一種電子自旋取向(常稱為多子)的能帶結(jié)構(gòu)具有金屬的性質(zhì)；而另一種電子自旋取向(少子)則呈現(xiàn)出半導體或者絕緣體的性質(zhì)，導致這種材料在費米能級附近具有100％的電子極化率。因此，半金屬磁體無疑將會成為理想的半導體自旋電子注入源，在與自旋電子輸運相關(guān)的電子器件中將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。 現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的具有半金屬性質(zhì)的材料有Heusler合金材料、CrO2等金紅石結(jié)

3、構(gòu)材料和Fe3O4等尖晶石結(jié)構(gòu)的鐵氧體材料等。由于Heusler合金與工業(yè)上常用的閃鋅礦半導體在結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)方面相匹配，且Heusler合金一般具有較高的居里溫度，從而成為該技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。本文的工作是利用基于密度泛函理論(DFT)的平面波贗勢方法(PwPP)對Mn系Heusler合金材料的磁性和半金屬性質(zhì)進行系統(tǒng)的研究。主要取得了以下研究成果： 1.研究了一種新型結(jié)構(gòu)Heusler合金Mn2CoZ(Z=Al，Ga，Si，

4、Ge)的電子結(jié)構(gòu)和磁性。計算表明Mn2CoZ合金的基態(tài)是Hg2CuTi型高有序L21結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的Mn2CoZ在它們各自的平衡晶格常數(shù)附近是理想的半金屬亞鐵磁體，每個晶胞的總自旋磁矩為：Mn2CoAI(Ga)是2.0μB，Mn2CoSi(Ge)是3.0μB，很好地符合Slater-Pauling規(guī)則。擴張或者壓縮合金晶胞，合金的費米能級就像在剛性帶模型中一樣，只是上下移動。這些合金的晶格參數(shù)在5AA至5.9A間變化時，合金保持其半金屬

5、性質(zhì)不變。 2.對Mn系Heusler合金Mm2YZ＝Sc，Ti,V,Cr,Mu,Fe,Co;Z=Al，Si)的電子結(jié)構(gòu)、磁性和半金屬性質(zhì)進行了研究。計算結(jié)果表明這些合金的基態(tài)為不同的結(jié)構(gòu)：Y原子的原子序數(shù)小等于Mn的原子序數(shù)的合金MmYZ(Y=Sc,Ti,V,Cr,Mn)的基態(tài)為傳統(tǒng)的Cu21V[1xAl型高有序結(jié)構(gòu)，而Y原子的原子序數(shù)大于Mn的原子序數(shù)的合金MmYZ(Y=Fe,Co)的基態(tài)為Hg2CuTi型高有序結(jié)構(gòu)。在基態(tài)

6、結(jié)構(gòu)下，合金MmYAl(Y=V,Cr,Fe,Co)及Mn2YSi(Y=Sc,Ti,Mn,Fe,Co)為典型的半金屬亞鐵磁體，合金MmScAl，Mn2TiAl及MmVSi為近半金屬亞鐵磁體，而每個元胞的價電子數(shù)為24的合金則表現(xiàn)出特殊的性質(zhì)：Mn3Al為半金屬反鐵磁體，而MmCrSi各原子磁矩消失，整個合金分子不顯示磁性。 Cu2MnAl型高有序結(jié)構(gòu)合金MmYZ(Y=Sc,Ti,V,Cr,Mn)的A晶位、C晶位Mn原子磁矩相同，方

7、向與B晶位的Y原子磁矩方向相反；Hg2CuTi型高有序結(jié)構(gòu)合金MmYZ(Y=Fe,Co)的A晶位Mn原子磁矩在方向上反平行于B晶位Mn原子和Y原子的磁矩。這些Mn系合金隨Y元素的變化滿足Slater-Pauling規(guī)則：Mn=Nv-24。但是，這一規(guī)則是通過合金中Y原子磁矩變化而滿足的；每種結(jié)構(gòu)的合金中兩個Mn原子磁矩變化不大。在合金MmYZ中，Z元素原子磁矩很微小，雖然它對整個合金分子的磁矩無直接作用，但對合金中過渡元素原子的磁矩影響

8、非常大。合金中的原子Al被Si取代后，不會導致半金屬性質(zhì)的喪失，且合金能隙和自選翻轉(zhuǎn)帶隙寬度都有所增加，合金中過渡元素原子的磁矩均變小。通過分析合金中過渡元素3d電子的分布，證實了上述結(jié)論。 還研究了合金半金屬性質(zhì)與晶格參數(shù)間的關(guān)系。在一定范圍內(nèi)改變合金的晶格參數(shù)，合金能態(tài)密度的能隙寬度會發(fā)生變化，費米能級在能隙中的位置也會改變，但合金保持半金屬性質(zhì)不變。合金中各原子的自旋磁矩隨合金的晶格參數(shù)的增大而增大。 3.研究了每

9、個元胞具有24個價電子的Heusler合金Cr2MnZ的電子結(jié)構(gòu)和磁性。發(fā)現(xiàn)Cr2MnZ合金分子在它們各自的平衡晶格常數(shù)附近總自旋磁矩幾乎為零，是理想的半金屬材料。Cr和Mn原子具有大的反平行的自旋磁矩，因而這些合金化合物是半金屬反鐵磁體。這四種合金Cr2MnZ(P,As,Sb,Bi)保持半金屬性質(zhì)的晶格參數(shù)變化范圍分別為：5.7～6.1 A°,5.8°～5.9 A°，5.8～6.2A和5.9-6.4A°。這為實驗中合成與制備這種半金屬