Heusler合金及其膜材料的第一性原理研究

• 作 者: 杨艳敏
• 出 处: 河北工业大学
• 发表日期: 2018年01期
• 关键词: 半金属 第一性原理 四方畸变 电子结构 磁性

自旋电子学是近些年来凝聚态物理以及材料科学领域的研究热点,如何能高效的将极化电子注入到半导体材料中是个关键的问题,理论上已经证明磁性金属材料自旋极化率不高是导致自旋注入率低的原因之一,半金属磁性材料因其具有100%的自旋极化率成为理想的半导体自旋电子注入源,这也使得他们能广泛的应用于自旋电子学器件中。因此,不论是在理论上还是实验上寻找具有高自旋极化率的材料并加以深入研究都将推动自旋电子学理论及其应用的发展。Heusler合金Co₂FeAl和Co₂Fe Si已被理论和实验证实为半金属材料,具有百分百自旋极化率。本文运用基于密度泛函理论的第一性原理的方法,从理论上研究预测了Si原子代替Co₂FeAl合金中Al原子的Co₂FeAl_1-xSi_x系列合金在不同替代浓度下的物理特性,如电子结构,热电性能,四方畸变,声子谱及弹性常数,并对其相应的薄膜材料的电子结构,四方相变与磁性等也进行了模拟计算。研究结果表明:（1）Co₂FeAl_1-xSi_x系列合金体相均为L2₁相的Cu₂Mn Al构型,且在铁磁序下能量最低,即Cu₂Mn Al型的Co₂FeAl_1-xSi_x系列合金在铁磁状态下最稳定。（2）Co₂FeAl_1-xSi_x（x=0.25,0.5,0.75）系列合金体相均为半金属（half-metal）,能带结构在自旋向下方向在费米能级附近存在带隙,显示出百分百自旋极化率。自旋向下方向均具有良好的热电性能,随着硅原子的增加功率因子也随之增加,且在室温300K时,掺杂浓度x=0.25、0.5和0.75对应的功率因子分别为28.70(μWcm^-1K^-2),30.07(μWcm^-1K^-2),30.74(μWcm^-1K^-2)。立方相保持稳定,均不随畸变度c/a的变化而变化,即在Co₂FeAl_1-xSi_x系列合金体材料中不存在马氏体相变,声子谱的计算结果均不存在虚频,满足动力学稳定性条件,弹性常数均满足玻恩稳定性条件C₁₁>0,C₄₄>0,C₁₁-C₁₂>0,C₁₁+2C₁₂>0,C₁₂11,机械稳定性良好,比热容在高温下均符合Dulong-Petit定律。（3）Co₂FeAl_1-xSi_x（x=0.25,0.5,0.75）系列合金薄膜的电子结构均显示出较高的自旋极化率,膜厚度为1.6956nm、1.6982nm和1.6922nm时,自旋极化率分别为43.09%,59.07%,100%,即在x=0.25时的薄膜为半金属材料。在四方畸变的过程中Co₂FeAl_0.75Si_0.25,Co₂FeAl_0.5Si_0.5,Co₂FeAl_0.25Si_0.75分别在c/a=1.05,c/a=1.03,c/a=1.2处存在稳定的四方相结构,且Co₂FeAl_0.25Si.₇₅结构满足马氏体相变的条件,即此状态下存在马氏体相变。随着四方畸变的过程,总磁矩的变化主要受Fe,Co原子的影响。当在膜厚度为2.826nm、2.830nm和2.820nm时,自旋极化率均为100%,74.23%,45.73%,即在x=0.25时的薄膜为半金属材料。薄膜的厚度对材料的自旋极化率有一定的影响。（4）Co₂FeAl_1-xGa_x（x=0.25,0.5,0.75）系列合金体相均为半金属,能带结构在自旋向下方向均存在带隙,费米能级处自旋极化率均为100%。声子谱的计算结果均不存在虚频,满足动力学稳定性条件,弹性常数均满足玻恩稳定性条件C₁₁>0,C₄₄>0,C₁₁-C₁₂>0,C₁₁+2C₁₂>0,C₁₂11,机械稳定性良好,且不存在马氏体相变。比热容在高温下均符合Dulong-Petit定律。