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(yè)大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 沈陽 110870; 2. 沈陽師范大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 沈陽 110034; 3. 沈陽科技學(xué)院 基礎(chǔ)部, 沈陽 110167)

0 引 言

圖1 赫斯勒合金的晶體結(jié)構(gòu)Fig.1 Crystal structure of Heusler alloy

自旋電子學(xué)是近些年來發(fā)展迅速的一門新興學(xué)科,它在應(yīng)用電子的電荷屬性的同時將電子自旋作為載體,進(jìn)而提高信息處理和存儲的效率。在過去幾年中,自旋電子學(xué)的研究和應(yīng)用已經(jīng)在計算機(jī)存儲方面發(fā)揮了巨大作用。自旋電子學(xué)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(shù)赫斯勒合金因?yàn)榫哂邪虢饘傩远憩F(xiàn)出100%自旋極化率的理論值,使之成為自旋電子學(xué)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(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)、半金屬性、磁性、力學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)等已經(jīng)被廣泛研究,同時人們發(fā)現(xiàn)用過渡金屬元素替換一個X2YZ晶胞中的一個X原子,可以結(jié)晶成具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的四元赫斯勒合金XX′YZ,該類合金已經(jīng)被證明為具有LiMdPdSn結(jié)構(gòu)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(jié)晶為具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的四元CrIrVSb合金,并研究該合金的半金屬性質(zhì)和磁性。

1 研究方法

應(yīng)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(guān)聯(lián)勢。在參數(shù)設(shè)置上,設(shè)定體系的截斷能為700 eV,在布里淵區(qū)k-points的設(shè)置為15×15×15,同時設(shè)定k-points間距為0.015 ?-1,當(dāng)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(yīng)力張量小于0.02 GPa時,認(rèn)為自洽循環(huán)過程是收斂的。

2 研究內(nèi)容

2.1 CrIrVSb合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

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

圖2 CrIrVSb合金的3種非等價結(jié)構(gòu)配置Fig.2 Three nonequivalent structure configurations of CrIrVSb alloy

使用CASTEP的幾何優(yōu)化功能對3種非等價結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化,計算得到的能量、晶格常數(shù)以及磁矩信息如表1所示。

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

圖3 3種非等價結(jié)構(gòu)下CrIrVSb合金能量隨晶格常數(shù)的變化曲線Fig.3 E-a curve of CrIrVSb alloy under three nonequivalent structure

表1的計算結(jié)果表明,當(dāng)CrIrVSb合金具有Type 3結(jié)構(gòu)配置時,能量最低為基態(tài),各個原子的磁矩信息表明該結(jié)構(gòu)為亞鐵磁性結(jié)構(gòu);具有Type 1結(jié)構(gòu)配置時,能量次低,總磁矩具有整數(shù)值,為CrIrVSb合金的亞穩(wěn)態(tài),該狀態(tài)下合金仍為亞鐵磁性材料。為了進(jìn)一步研究CrIrVSb合金的基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)定性,計算了3種結(jié)構(gòu)在不同晶格常數(shù)下的能量,并繪制了能量隨晶格常數(shù)的變化曲線,如圖3所示。

圖3中CrIrVSb合金的3種非等價結(jié)構(gòu)的能量隨晶格常數(shù)的變化曲線都存在能量的最小值,說明3種結(jié)構(gòu)都是穩(wěn)定結(jié)構(gòu),其中,基態(tài)(Type 3)的能量最低,對應(yīng)的平衡晶格常數(shù)為6.319 ?,亞穩(wěn)態(tài)(Type 1)對應(yīng)的平衡晶格常數(shù)為6.219 ?。由于亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的總磁矩具有整數(shù)值,這是半金屬材料的一個典型特點(diǎn),因此接下來主要對比研究CrIrVSb合金基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)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(fèi)米能級附近多數(shù)自旋通道和少數(shù)自旋通道的電子數(shù)目。對于半金屬材料,由于在一個自旋通道上費(fèi)米能級附近存在帶隙,使得該通道上費(fèi)米能級附近電子數(shù)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(jié)構(gòu)來研究,計算得到的CrIrVSb合金平衡晶格常數(shù)下基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由圖4可以看出,對于基態(tài)CrIrVSb合金的2個自旋通道上費(fèi)米能級附近沒有帶隙,均表現(xiàn)出金屬性,說明基態(tài)CrIrVSb合金為一般性金屬材料;對于亞穩(wěn)態(tài)CrIrVSb合金的多數(shù)自旋通道表現(xiàn)為金屬性,但在少數(shù)自旋通道上存在一個能量約為0.61 eV的帶隙,表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性[12-13],因此亞穩(wěn)態(tài)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(tài)和亞穩(wěn)態(tài)CrIrVSb合金的能帶結(jié)構(gòu)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(dǎo)致自旋電子學(xué)材料信息的注入和讀取,研究赫斯勒合金的磁性是一項(xiàng)必不可少的內(nèi)容。通過合金的態(tài)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(tài)和亞穩(wěn)態(tài)CrIrVSb合金的態(tài)密度曲線如圖5所示。

圖5 基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)CrIrVSb合金的態(tài)密度Fig.5 Density of states of CrIrVSb alloy under ground and metastable states

圖5中基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)CrIrVSb合金的總態(tài)密度表明,2種狀態(tài)下的CrIrVSb合金都具有良好的磁性,同時可以發(fā)現(xiàn):費(fèi)米能級附近的總態(tài)密度主要來源于過渡金屬原子的態(tài)密度,Sb原子態(tài)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(xiàn);在費(fèi)米能級附近表示Cr、V和Ir的態(tài)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(guān)。

由圖5中基態(tài)CrIrVSb合金的總態(tài)密度曲線可以大致求得在費(fèi)米能級附近多數(shù)自旋通道和少數(shù)自旋通道的電子數(shù)目,根據(jù)公式(1)求得基態(tài)CrIrVSb合金的自旋極化率約為75%。對于亞穩(wěn)態(tài)CrIrVSb合金的總態(tài)密度分布,顯然在少數(shù)自旋通道上費(fèi)米能級附近存在明顯的帶隙,再一次說明亞穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)CrIrVSb合金的總磁矩和原子磁矩隨晶格常數(shù)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(zhì),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(wěn)態(tài)CrIrVSb合金的半金屬性和磁性與形變的關(guān)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(shù)就可以表示合金在應(yīng)力作用下發(fā)生的形變,計算得到的亞穩(wěn)態(tài)CrIrVSb合金在不同晶格常數(shù)下的總磁矩和原子磁矩變化關(guān)系如圖6所示。

圖6發(fā)現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)CrIrVSb合金在一定的晶格常數(shù)變化范圍內(nèi),其總磁矩始終為1 μB的整數(shù)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(fā)現(xiàn)V原子和Cr原子的磁矩隨著晶格常數(shù)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(fā)生改變。

3 結(jié) 論

基態(tài)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(shù)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(wěn)態(tài)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(shù)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。