Full-Heusler合金Ru2FeSi的結(jié)構(gòu)和磁性

鄭 偉, 吳 闖, 于桂英, 高 巖

(1. 沈陽科技學(xué)院 基礎(chǔ)部, 沈陽 110167; 2. 沈陽師范大學(xué) 實驗教學(xué)中心, 沈陽 110034)

0 引 言

圖1 Heusler合金的結(jié)構(gòu)示意圖[3]Fig.1 Schematic diagram of Heusler alloy

自旋電子學(xué)作為一門新興學(xué)科,與傳統(tǒng)電子學(xué)不同,他不僅應(yīng)用了電子的電荷屬性,同時把電子自旋作為信息的載體,對信息進行更高效地處理或存儲。在過去一些年中已經(jīng)在計算機存儲方面發(fā)揮了巨大的作用。自旋電子學(xué)材料也因此成為更多專家學(xué)者爭相研究的焦點材料,在這其中,Heusler合金因其在自旋電子器件中的顯著應(yīng)用而更具吸引力,可用于制造巨磁阻(GMR)和隧道磁電阻(TMR)器件,它們也被用于機電應(yīng)用[1-2]。Heusler合金通常被分為full-Heusler合金和half-Heusler合金,其中full-Heusler合金具有X2YZ結(jié)構(gòu),空間群為Fm-3m,half-Heusler合金為XYZ結(jié)構(gòu),空間群F-43m。其中X,Y為過渡金屬元素,Z為主族元素,具體占位及空間結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在Wyckoff 坐標系中,它的原子坐標分別為A位(0,0,0),B位(0.25,0.25,0.25),C位(0.5,0.5,0.5)及D位(0.75, 0.75, 0.75)。對half-Heusler合金,兩過渡元素原子X、Y分別進入A位及B位,主族元素原子Z進入D位。此時,C位為空位。而對于full-Heusler合金兩個過渡元素原子,X占據(jù)A位與C位,Y原子占據(jù)B位,主族元素原子Z進入D位。

到目前為止,對于Co基、Mo基和Fe基full-Heusler合金的研究已經(jīng)非常全面,如Ishida等[4-5]利用第一性原理計算了full-Heusler合金Co2Mn Z(Z為IIIB、IVB、VB元素)以及Fe2Mn Y(Y=Al,Si,P)的電子結(jié)構(gòu),并預(yù)測Co2Mn Si、Co2Mn Ge和Fe2MnSi具有半金屬性。研究者們也進行了對Mn2TiZ 系列化合物(Z 代表 Al,As,Bi,Ga,Ge,Sb,Si,Sn)的研究[6],Mn2NiAl的電子結(jié)構(gòu)和形狀記憶行為的研究[7],Fe2CoSi 中摻雜Cr后半金屬性的變化研究[8]等。隨著研究的深入,以其他過渡元素為基礎(chǔ)的Heusler合金也開始呈現(xiàn)出來,如LiJia等[9]對Cr2VX(X=Ga,Si,Ge,Sb)化合物的研究,M.Rizwan等[10]對Ru2FeX(X=Si,Ge) full-Heusler合金的研究,甚至人們已經(jīng)開啟了對四元Heusler合金的研究,如ZrTiCrZ(Z=Al,Ga,In,Si,Ge,Sn)結(jié)構(gòu)、磁性以及力學(xué)性質(zhì)的研究[11]等。

1 研究的主要內(nèi)容

1.1 Ru2FeSi合金的晶體結(jié)構(gòu)

目前,Ru2基的Ru2FeSi赫斯勒合金已經(jīng)開始被人關(guān)注,但主要的研究工作在合金的晶體動力學(xué)和聲子色散以及聲子密度問題上,并沒有考慮到未來應(yīng)用的可能性。在此工作中,采用了第一性原理平面波贗勢法計算了Ru2基full-Heusler合金Ru2FeSi,并確定了合金的晶體結(jié)構(gòu)和平衡晶格常數(shù)。此外,還研究了Ru2FeSi合金的電子結(jié)構(gòu)、磁性,并詳細分析了磁性的來源。

圖2 Ru2FeSi合金的晶體結(jié)構(gòu)Fig.2 Crystal structure of Ru2FeSi alloy

本文在計算中主要應(yīng)用了CASTEP模塊根據(jù)自旋極化密度泛函理論 (DFT)范圍內(nèi)的平面波贗勢法進行。 在基于廣義梯度近似(GGA)的PBE交換能泛函理論的基礎(chǔ)上來完成。 首先使用CASTEP軟件對Ru2FeSi進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 在計算中設(shè)置截斷能為700 eV, K-point選擇為12×12×12, 得到合金的空間結(jié)構(gòu)如圖2所示。

顯然Ru原子占據(jù)(0,0,0)位置和(0.5,0.5,0.5)位置,Fe和Si原子則分別占據(jù)(0.25,0.25,0.25)和(0.75,0.75,0.75)位置。根據(jù)一些文獻[12-14],d電子較少的元素傾向于占據(jù)B位點,而d電子較多的元素更容易占據(jù)(A,C)位點。因為Ru2FeSi合金中的元素Fe,其d電子少于Ru,故占據(jù)B位點,而元素Ru比Fe 的d電子多而占據(jù)A,C位,Si 占據(jù)了D位,這與Heusler合金的基本結(jié)構(gòu)相符合。

為了比較結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,分別對Ru原子和Fe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。

從表1中可以看出,Ru2FeSi合金在鐵磁狀態(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=6.862 ??？梢缘贸鼋Y(jié)論,在穩(wěn)定狀態(tài)下,Ru2FeSi合金為一種鐵磁性材料。

表1 不同自旋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的能量和晶格常數(shù)Tab.1 Energy and lattice constant of structures under different spin states

1.2 Ru2FeSi合金的磁性分析

為了更好地分析Ru2FeSi合金的磁性來源問題,本文對Ru2FeSi合金在平衡晶格常數(shù)a=6.862 ?時的態(tài)密度進行了計算,并且繪制了合金的自旋極化密度曲線,如圖3所示。

圖3 Ru2FeSi合金的自旋極化密度曲線Fig.3 Spin polarization density of Ru2FeSi alloy

由圖3不難看出,在費米能級附近,在自旋向上和自旋向下2個方向上,合金都展示出了金屬特性。由于在自旋向上和自旋向下2個方向上的自旋極化密度曲線是非對稱的,這說明Ru2FeSi合金具有良好的磁性。在費米能級上總態(tài)密度不為零,且自旋向下方向的總態(tài)密度約為-15.1 eV,而Ru原子和Fe原子的態(tài)密度分別為-12.5 eV和-2.6 eV,Si原子的態(tài)密度大于-1.0 eV,認為貢獻很小。因此可以認為,在費米能級附近,Ru原子和Fe原子在自旋方向上的非對稱性是合金磁性的主要來源,而且Si原子自旋對磁性的影響不大。為了進一步說明磁性來源的具體信息,繪制了Ru2FeSi合金總態(tài)密度和各個原子投影的態(tài)密度以及各個原子不同電子(p,d,s)的態(tài)密度曲線,如圖4所示。

圖4 Ru2FeSi合金分波態(tài)密度、Ru和Fe原子不同電子的態(tài)密度Fig.4 Partial density of Ru2FeSi alloy, density density of different electrons of Ru and Fe atoms

由圖4(a)容易發(fā)現(xiàn),在費米能級附近,Ru原子的d電子和Fe原子的d電子的自旋貢獻遠大于s和p電子的自旋貢獻,結(jié)合圖4(b)中Ru原子和Fe原子投影的態(tài)密度,可以確定Ru2FeSi合金中Ru原子和Fe原子自旋對磁性的貢獻主要源于2種原子d電子的自旋。考慮到在費米能級附近Si原子在自旋向上和自旋向下2個方向上的能量都較低,低于2.5 eV,進一步驗證了Si原子自旋對合金磁性影響不大。

考慮在費米能級附近態(tài)密度峰值的位置相互錯開,可以看出Ru原子的d電子和Fe原子的d電子都在費米能級附近發(fā)生了劈裂,結(jié)合合金的總態(tài)密度曲線,2種原子的電子在各自發(fā)生劈裂的同時也發(fā)生了相互雜化[15]的過程。由此可以得出結(jié)論,Ru2FeSi合金磁性的主要原因是在費米能級附近,Ru原子的d電子和Fe原子的d電子發(fā)生劈裂且又發(fā)生相互雜化。

2 結(jié) 論

Ru2FeSi合金具有full-Heusler合金X2YZ的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),是一種磁性很好的鐵磁性金屬材料,平衡晶格常數(shù)為6.862 ?。其磁性的主要來源于是在費米能級附近,Ru原子的d電子和Fe原子的d電子發(fā)生劈裂且又相互雜化。