四元赫斯勒合金CrIrVSb的半金屬性和磁性

吳 闖, 鄭 偉, 高 巖, 姜 偉

(1. 沈陽工業大學 環境與化學工程學院, 沈陽 110870; 2. 沈陽師范大學 實驗教學中心, 沈陽 110034; 3. 沈陽科技學院 基礎部, 沈陽 110167)

0 引 言

圖1 赫斯勒合金的晶體結構Fig.1 Crystal structure of Heusler alloy

自旋電子學是近些年來發展迅速的一門新興學科,它在應用電子的電荷屬性的同時將電子自旋作為載體,進而提高信息處理和存儲的效率。在過去幾年中,自旋電子學的研究和應用已經在計算機存儲方面發揮了巨大作用。自旋電子學材料需要具備一些特定的條件,即具有較高的自旋極化率和較長的弛豫時間,大多數赫斯勒合金因為具有半金屬性而表現出100%自旋極化率的理論值,使之成為自旋電子學材料中的一個熱門研究對象[1-5]。赫斯勒合金具有空間立方結構,分為全赫斯勒合金X2YZ和半赫斯勒合金XYZ,其中X,Y為過渡金屬元素,Z為主族元素,如圖1所示。

到目前為止,全赫斯勒合金X2YZ的結構、半金屬性、磁性、力學性質和光學性質等已經被廣泛研究,同時人們發現用過渡金屬元素替換一個X2YZ晶胞中的一個X原子,可以結晶成具有穩定結構的四元赫斯勒合金XX′YZ,該類合金已經被證明為具有LiMdPdSn結構類型的逆赫斯勒合金[6-8]。本文試圖通過用5d族過渡金屬元素Ir替換全赫斯勒合金Cr2VSb中的一個Cr原子,使其結晶為具有穩定結構的四元CrIrVSb合金,并研究該合金的半金屬性質和磁性。

1 研究方法

應用第一性原理的計算方法,使用Materials Studio 6.0中的CASTEP計算模塊。計算中采用廣義梯度近似下的PBE交換關聯勢。在參數設置上,設定體系的截斷能為700 eV,在布里淵區k-points的設置為15×15×15,同時設定k-points間距為0.015 ?-1,當最大位移小于5.0×10-4?,總能量變化小于1×10-6eV·atom-1,最大應力張量小于0.02 GPa時,認為自洽循環過程是收斂的。

2 研究內容

2.1 CrIrVSb合金的結構穩定性

本課題組前期的工作[9]已經研究了Cr2VSb合金的半金屬性和磁性,根據四元赫斯勒合金的結構特點,用Ir原子替換Cr2VSb晶胞的一個Cr原子,假定可以形成四元穩定赫斯勒合金CrIrVSb,該結構具有3種非等價的結構配置[10],如圖2所示。

圖2 CrIrVSb合金的3種非等價結構配置Fig.2 Three nonequivalent structure configurations of CrIrVSb alloy

使用CASTEP的幾何優化功能對3種非等價結構進行幾何優化,計算得到的能量、晶格常數以及磁矩信息如表1所示。

表1 CrIrVSb合金的能量、晶格常數和磁矩Table 1 Energy,lattice parameter and magnetic moments of CrIrVSb alloy

圖3 3種非等價結構下CrIrVSb合金能量隨晶格常數的變化曲線Fig.3 E-a curve of CrIrVSb alloy under three nonequivalent structure

表1的計算結果表明,當CrIrVSb合金具有Type 3結構配置時,能量最低為基態,各個原子的磁矩信息表明該結構為亞鐵磁性結構;具有Type 1結構配置時,能量次低,總磁矩具有整數值,為CrIrVSb合金的亞穩態,該狀態下合金仍為亞鐵磁性材料。為了進一步研究CrIrVSb合金的基態和亞穩態的穩定性,計算了3種結構在不同晶格常數下的能量,并繪制了能量隨晶格常數的變化曲線,如圖3所示。

圖3中CrIrVSb合金的3種非等價結構的能量隨晶格常數的變化曲線都存在能量的最小值,說明3種結構都是穩定結構,其中,基態(Type 3)的能量最低,對應的平衡晶格常數為6.319 ?,亞穩態(Type 1)對應的平衡晶格常數為6.219 ?。由于亞穩態結構的總磁矩具有整數值,這是半金屬材料的一個典型特點,因此接下來主要對比研究CrIrVSb合金基態和亞穩態的半金屬性和磁性。

2.2 CrIrVSb合金的半金屬性

自旋極化率的計算公式為[11]

(1)

其中N↑(EF)和N↓(EF)分別表示費米能級附近多數自旋通道和少數自旋通道的電子數目。對于半金屬材料,由于在一個自旋通道上費米能級附近存在帶隙,使得該通道上費米能級附近電子數目為0,因而具有100%的自旋極化率。某一種材料是否具有半金屬性,可以通過材料的能帶結構來研究,計算得到的CrIrVSb合金平衡晶格常數下基態和亞穩態的能帶結構如圖4所示。

由圖4可以看出,對于基態CrIrVSb合金的2個自旋通道上費米能級附近沒有帶隙,均表現出金屬性,說明基態CrIrVSb合金為一般性金屬材料;對于亞穩態CrIrVSb合金的多數自旋通道表現為金屬性,但在少數自旋通道上存在一個能量約為0.61 eV的帶隙,表現出半導體特性[12-13],因此亞穩態CrIrVSb合金為半金屬性材料,具有100%的自旋極化率理論值。

圖4 基態和亞穩態CrIrVSb合金的能帶結構Fig.4 Band structure of CrIrVSb alloy under ground and metastable states

2.3 CrIrVSb合金的磁性

磁性的差異直接導致自旋電子學材料信息的注入和讀取,研究赫斯勒合金的磁性是一項必不可少的內容。通過合金的態密度分布曲線來研究磁性是一種常見的方法,計算得到的基態和亞穩態CrIrVSb合金的態密度曲線如圖5所示。

圖5 基態和亞穩態CrIrVSb合金的態密度Fig.5 Density of states of CrIrVSb alloy under ground and metastable states

圖5中基態和亞穩態CrIrVSb合金的總態密度表明,2種狀態下的CrIrVSb合金都具有良好的磁性,同時可以發現:費米能級附近的總態密度主要來源于過渡金屬原子的態密度,Sb原子態密度幾乎為零,即合金的磁性來源于過渡金屬原子的電子自旋貢獻;在費米能級附近表示Cr、V和Ir的態密度曲線存在交叉分布,說明存在雜化,即合金磁性與過渡金屬原子的電子軌道雜化有關。

由圖5中基態CrIrVSb合金的總態密度曲線可以大致求得在費米能級附近多數自旋通道和少數自旋通道的電子數目,根據公式(1)求得基態CrIrVSb合金的自旋極化率約為75%。對于亞穩態CrIrVSb合金的總態密度分布,顯然在少數自旋通道上費米能級附近存在明顯的帶隙,再一次說明亞穩態CrIrVSb合金為半金屬材料,具有100%的自旋極化率理論值。

圖6 亞穩態CrIrVSb合金的總磁矩和原子磁矩隨晶格常數的變化曲線Fig.6 Total and each atom magnetic moments vs various lattice parameters for CrIrVSb alloys under metastable states

通常情況下,材料的物理性質,如半金屬性、磁性等會受到材料形變的影響[14-15]。為了研究亞穩態CrIrVSb合金的半金屬性和磁性與形變的關系,我們假定合金在壓力或拉力作用下其體積在各個方向上均勻變化,這樣通過改變晶格常數就可以表示合金在應力作用下發生的形變,計算得到的亞穩態CrIrVSb合金在不同晶格常數下的總磁矩和原子磁矩變化關系如圖6所示。

圖6發現亞穩態CrIrVSb合金在一定的晶格常數變化范圍內,其總磁矩始終為1 μB的整數值,說明合金的半金屬性和磁性不會受到形變的影響。同時也發現V原子和Cr原子的磁矩隨著晶格常數的增大明顯變大,但二者之間的反向耦合作用不會使總磁矩發生改變。

3 結 論

基態CrIrVSb合金為具有較高自旋極化率(≈75%)的亞鐵磁性金屬材料,平衡晶格常數為6.319 ?,合金磁性主要來源于過渡金屬原子的電子自旋以及d電子軌道之間的雜化劈裂。亞穩態CrIrVSb合金為亞鐵磁性半金屬材料,具有100%的自旋極化率,平衡晶格常數為6.219 ?,磁性同樣主要來源于過渡金屬原子的電子自旋以及d電子軌道之間的雜化劈裂,同時合金的半金屬性和磁性不受形變的影響。