Heusler合金中近半金屬性質(zhì)的討論：一種近半金屬性質(zhì)評估標(biāo)準(zhǔn)

萬 鵬，苑曉麗

(河海大學(xué) 理學(xué)院，南京211100)

1 引 言

近二十年來，Heusler合金受到自旋電子學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，由于其中發(fā)現(xiàn)了大量的半金屬材料，這些半金屬材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域有很多實際的應(yīng)用，如磁隧道結(jié)[1]、巨磁阻(GMR)器件[2]、自旋晶體管[3]、磁阻隨機(jī)存取存儲器或硬盤驅(qū)動器的讀出磁頭[4]等.半金屬材料由于其特殊的電子結(jié)構(gòu)成為最具特色的自旋電子電子學(xué)材料，這類特殊的電子結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為它們的能帶結(jié)構(gòu)分成了自旋向上和自旋向下兩個部分，其中一個自旋通道穿過了費米能級，表現(xiàn)為金屬性；而另一個自旋通道在費米能級處存在一個帶隙，表現(xiàn)為半導(dǎo)體[5].此外，Heusler合金已被人們發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)、拓?fù)浣^緣子、形狀記憶、流動磁性以及Pauli順磁性等功能特性[6-9].

如今在Heusler化合物中發(fā)現(xiàn)了一大類具有自旋極化但又不能輕易地判定為半金屬或金屬的金屬間化合物.為了更全面地利用Heusler化合物為自旋電子學(xué)提供選擇，本文提出了一種關(guān)于近半金屬與金屬之間的評估判據(jù).

2 計算細(xì)節(jié)

本文計算的所有三元Heusler化合物的原始晶格均來自AFLOW數(shù)據(jù)庫.所有的計算均在量子力學(xué)計算軟件包Viennaabinitiosimulation package(VASP)[10-13]中進(jìn)行，采用了廣義梯度近似(GGA)的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)方法來描述密度泛函理論(DFT)的交換關(guān)聯(lián)函數(shù).選取了所有元素的PAW[14]贗勢集和500 eV的平面波截止能量，布里淵區(qū)積分K點采用15×15×15的Monkhorst-Pack方案[15]進(jìn)行.所有的晶體結(jié)構(gòu)都是完全弛豫的，連續(xù)兩個離子步的能量變化小于1×10-6eV，每個離子上的力在0.02 eV/?內(nèi)收斂.

3 討 論

當(dāng)一種材料的一個自旋通道在費米能級處或費米能級附近存在一個真實的帶隙或贗隙時，如果費米能級落在這個真實的帶隙內(nèi)，那么這種材料通常被稱為半金屬材料.對于另外的情況，即費米能級處存在一個贗隙；或費米能級落在真實的帶隙的邊緣以外；或費米能級落在贗隙外，就需要考慮到是否直接歸類為金屬材料.為了讓這類材料能夠為自旋電子學(xué)等領(lǐng)域提供選擇，在這里討論了適合用于自旋電子學(xué)領(lǐng)域的近半金屬材料具備的電子結(jié)構(gòu).

對于費米能級落在真實的帶隙的邊緣以外的情況：在這種情況下，如果要適用于自旋電子學(xué)，則需要滿足在費米能級處具備大的自旋極化率，或者規(guī)定一個值，使得帶隙距費米能級的距離在這個值內(nèi)，通過加壓或摻雜等手段使得這些材料的費米能級向帶隙處移動.Ma等人[16]建議這個值選擇為0.2個電子態(tài)，即帶隙附近能級之間差值的0.2倍，這種方法有利于將材料的近半金屬性與磁性聯(lián)系起來.此外，由于計算與實驗之間的誤差，甚至可以簡單地選擇一個數(shù)值，本文建議將這個值選擇為0.30 eV左右，因為0.30 eV實際上約等于許多此類材料0.2個電子態(tài)的值，這種選擇更容易快速地分辨出近半金屬材料.另一方面，在基態(tài)結(jié)構(gòu)下，還需要考慮鐵磁層間的電導(dǎo)的情況(自旋電子學(xué)器件典型的三明治結(jié)構(gòu))，即磁矩反平行時:

GAP∝aFM1aFM2+(1-aFM1)(1-aFM2)，

磁矩平行時：

GP∝aFM1(1-aFM2)+(1-aFM1)aFM2，

對于費米能級落在贗隙外的情況：在這種情況下，除非贗隙相對平緩并有較大緩沖(按第二種情況考慮)，一般可直接將該材料判斷為金屬.

討論幾個例子作為參考：

1.ZrMnFeAl：自旋向上通道在費米能級附近有一個贗隙，并且不具備高電導(dǎo)，可認(rèn)為是近半金屬材料，態(tài)密度如圖1所示；

2.Sc2MnAl：自旋向上通道在費米能級附近0.30 eV范圍內(nèi)有一個真實的隙，可認(rèn)為是近半金屬，態(tài)密度如圖2所示；

3.V2FeAl：兩個方向的自旋態(tài)密度的帶隙均距離費米能級0.30 eV以內(nèi)，可認(rèn)為是近半金屬，態(tài)密度如圖3所示；

4.YMnGe：自旋向上通道中的帶隙在費米能級附近0.30 eV以內(nèi)，判斷為近半金屬材料，態(tài)密度如圖4所示；

5.ScMnAl：在自旋向上的態(tài)密度圖中可以看出，真實帶隙的邊緣距離費米能級超過了0.30 eV和0.2個電子態(tài)，按本文標(biāo)準(zhǔn)歸類于金屬材料，態(tài)密度如圖5所示；

6.Zr2MoAl：兩個自旋通道的贗隙均在距費米能級0.30 eV以內(nèi)，但其僅具有輕微磁矩，該相甚至競爭不過其他相，直接判斷為金屬，態(tài)密度如圖6所示；

表1中同時給出以上算例的磁矩作為參考.

表1 以上算例的平衡晶格常數(shù)a(?)和體系總磁矩M(μB)

4 小 結(jié)

總之，本文給出了一種從電子結(jié)構(gòu)方面判斷近半金屬的標(biāo)準(zhǔn)，具體為：(1)具備一定的磁性；(2)費米能級落在距真實帶隙0.30 eV或 0.2個電子態(tài)以內(nèi)；如果是贗隙，則要求該材料不具備高電導(dǎo).并通過 ZrMnFeAl、Sc2MnAl等幾個例子加以解釋說明.這些近半金屬材料有望在沒有與半導(dǎo)體晶格適配的半金屬的情況下替代半金屬而應(yīng)用于自旋電子學(xué)，這為自旋電子學(xué)工業(yè)提供了更多選擇.