Full-Heusler合金V2MnGa磁性和力學(xué)性能

封文江, 范曉嵐, 王 颯, 洪 鑫, 謝金峰, 高 雅, 徐乾皓

(沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034)

0 引 言

與傳統(tǒng)的電子學(xué)器件相比,自旋電子學(xué)器件因具有良好的穩(wěn)定性、體積小、能耗低、數(shù)據(jù)處理快,以及集成密度高等優(yōu)點而備受人們的關(guān)注[1]。

1983年,R.A.de Groot等人,計算了半金屬惠斯勒合金 NiMnSb,發(fā)現(xiàn)其自旋向上的能帶具有金屬性質(zhì),而自旋向下部分的能帶則具有半導(dǎo)體性質(zhì),具有 100%的自旋極化率,這是首次半金屬這個名詞的出現(xiàn),從此,半金屬惠斯勒合金進入各個領(lǐng)域科學(xué)家的視線,涌現(xiàn)出大量優(yōu)秀的科研成果[2]。

1 計算方法

圖1 V2MnGa合金的晶體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of crystal structure of V2MnGa alloy

利用基于贗勢的平面波的Castep進行電子結(jié)構(gòu)計算,采用廣義梯度近似(GGA)對交換效應(yīng)和相關(guān)效應(yīng)進行處理。 所有情況下,平面波基的截斷能取500 eV,布里淵區(qū)采用的4×4×4的K點網(wǎng)格,選擇計算的收斂公差為5×10-7eV/atom。這些參數(shù)能確保總能量可以更好的收斂。所以Full-Heusler合金V2MnGa晶體模型的各原子占位定為VA(0,0,0)VB(0.25,0.25,0.25)Mn(0.5,0.5,0.5)Ga(0.75,0.75,0.75)。

2 分析與討論

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了比較結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,分別對V原子和Mn原子的自旋方向做了設(shè)定,并計算出不同自旋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)的能量及對應(yīng)的晶格常數(shù),如表1所示。

表1 不同自旋方向的能量和晶格常數(shù)Table 1 Energy and lattice constants in different spin directions

從表1中可以看出,V2MnGa合金在亞鐵磁狀態(tài)下能量更低,更容易形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),其晶格常數(shù)約為a=5.94(7)?,由此可知,在平衡態(tài),V2MnGa合金為一種亞鐵磁性材料。

2.2 能帶分析

為了更好的理解V2MnGa磁性的來源,本文計算了平衡態(tài)下的能帶結(jié)構(gòu),如圖2所示。

(a) 自旋向上能帶圖; (b) 自旋向下能帶圖圖2 V2MnGa能帶結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Energe barel structure of V2MnGa

圖2(a)與圖2(b)分別為自旋向上和自旋向下的能帶結(jié)構(gòu)圖像,在自旋向上能帶圖像中費米能級周圍的半導(dǎo)體帶隙清晰可見,其帶隙為0.33 eV,而自旋向下的圖像中價帶與導(dǎo)帶明顯重疊的部分,且費米能級通過重疊區(qū)域。因此,自旋向下通道具有金屬特性。 說明Full-Heusler合金V2MnGa為半金屬。

2.3 磁 矩

計算平衡態(tài)能帶結(jié)構(gòu)的同時,還計算了Full-Heusler合金V2MnGa的原子磁矩與總磁矩,如表2所示。

表2 各原子磁矩和總磁矩Table 2 The magnetic moment of each atom and the total magnetic moment

表2中分別列出了V2MnGa的晶格常數(shù),以及每個原子的自旋磁矩,Mt表示計算得出的總磁矩,Zt代表了原子的價電子數(shù)總和。根據(jù)Slater-Pauling(SP)法則,半金屬Heusler合金中Mt和Zt服從Mt=Zt-18或者Mt=Zt-24[6],合金V2MnGa剛好滿足Mt=Zt-18=2 μB,說明合金V2MnGa是半金屬。而且從穩(wěn)定狀態(tài)的各種磁矩可以看出VA和Mn兩個原子對總磁矩的貢獻最大,分別為60%和56%。

2.4 力學(xué)性能

研究了在密度泛函理論廣義梯度近似(GGA)的框架下Full-Heusler合金V2MnGa的力學(xué)性能。一般來說,彈性常數(shù)可以用來預(yù)測機械性能結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、脆性、延性、硬度等性能。如表3所示,引入了彈性常數(shù)C11、C12、C44,體積模量B,Voigte-Reusse-Hill平均剪切模量G,泊松比ν,楊氏模量Y,Voigt剪切模量GV,Reus剪切模量GR來具體表示V2MnGa的力學(xué)性能。

表3 力學(xué)性能各類參數(shù)Table 3 mechanical properties of various parameters

其中C11和C12描述了晶體對單向壓縮的反應(yīng),而C44與剪切模量正比,可作為剪切變形的一種測量方法。表2中可以看出,C11的值比C44大134%。它揭示了V2MnGa抗壓縮能力大于抗剪切變形能力。對于立方晶體,傳統(tǒng)的力學(xué)穩(wěn)定性判據(jù)為C11>0,C44>0,C11-C12>0,C11+2C12>0和C12

體積模量B代表了電阻率體積隨外加壓力的變化,剪切模量G定義為抗剪切應(yīng)力作用下的塑性變形。根據(jù)Pugh的理論規(guī)則,用B/G的比值來表示材料的脆性和延展性。其臨界值近似為1.75;如果B/G的比值大于1.75,則材料具有延展性;反之,則對應(yīng)脆性。V2MnGa的B/G值為2.44,表明它具有延展性。依據(jù)Frantsevich法則,根據(jù)材料的泊松比ν來分析脆性或延展性。泊松比ν>1/3的材料可視為易延展的材料,否則,為脆性材料[14-15]。觀察所得結(jié)果,V2MnGa的泊松比ν>1/3,則V2MnGa是一種易延展的材料。與前面所得結(jié)論完全一致。綜上所述,V2MnGa化合物屬于延展性合金。

Zener彈性各向異性比A,其中A=2C44/(C11-C12)[15],可以作為衡量固體結(jié)構(gòu)與各向同性還是異性的程度。對于完全各向同性的材料,因子取值為1,與其有任何偏差都表明各向異性。計算得V2MnGa的A為2.01,說明該化合物不是各向同性的。綜上所述,這些計算結(jié)果在以后的實驗工作中對預(yù)測材料的力學(xué)性能具有一定的意義,可作為選擇材料的一般性指導(dǎo)。

3 結(jié) 論

本文利用基于密度泛函理論的第一性原理方法,計算了V2MnGa的磁學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì),通過設(shè)置每個原子的不同自旋方向,并進行分別幾何優(yōu)化最后比較其穩(wěn)定性,得出該合金能量最低的穩(wěn)定態(tài)是亞鐵磁體,繪制能帶圖像,且計算磁矩,總磁矩為2 μB,滿足Slater-Pauling(SP)法則,說明合金V2MnGa是半金屬。VA和Mn兩個原子對總磁矩的貢獻最大,分別為60%和56%。通過計算合金的體積模量B,Voigte-Reusse-Hill平均剪切模量G、泊松比ν和楊氏模量Y,證明V2MnGa化合物屬于延展性合金。計算V2MnGa各向異性因子A為2.01,說明該化合物不是彈性各向同性的。