四元Heusler合金CrFeMnAl的结构和磁性

2020-05-07封文江范晓岚

沈阳师范大学学报(自然科学版) 2020年1期

封文江, 洪鑫, 赵博, 范晓岚, 王飒

(沈阳师范大学物理科学与技术学院, 沈阳 110034)

0 引言

在信息爆炸的当代,人们在计算机存储和处理方面有着极大的需求,Heusler合金一直是研究的热点问题,需要找到一种材料,提高信息处理的速度、加大信息的密度。近年来,自旋电子学的发展已经使人们在计算机存储方面取得了很大的成果[1-2]。在众多自旋电子学材料中,Heusler合金因其特有的优点已经受到越来越多研究者的关注,是凝聚态物理学热点领域之一[3]。

Heusler合金主要包括以Half-Heusler合金和Full-Heusler为代表的三元金属化合物和四元Heusler合金化合物。其中,四元Heusler合金化合物是一种半金属铁磁体,由4种不同的元素组成,它们没有统一的化学式[4]。本文应用了基于密度泛函理论的第一性原理方法,对四元Heusler合金CrFeMnAl的结构和磁性进行探究。

1 计算模型与方法

本文计算利用的软件是Materials Studio 6.0,其中能量计算和能带计算是依靠其中的CASTEP模块进行的[5]。全部的计算过程考虑了自旋极化情况,具体包括顺磁、铁磁、亚铁磁的情况。其中,电子间的交换相关能计算采用的是广义梯度近似(GGA)。价电子与离子实之间的相互作用通过平面波模守恒赝势来描述。设置平面波截断能为700 eV,在布里渊区采用Monkhorst-Pack方法选取8×8×8的k点网格。优化过程中,单个原子能量收敛精度为10-5eV。

2 结果与讨论

2.1 晶体结构

传统的三元Heusler合金可以用X2YZ表示,例如:Cr2MnAl化学式为2∶1∶1的三元惠斯勒合金,空间群为F-43m(216)[6-7]。2个Cr原子可分别记作Cr1,Cr2,当过渡元素中的金属原子与Cr1或Cr2其中之一替换时,化学式也随之发生变化,变成X1X2YZ,这种新形成的空间群化合物称为四元Heusler合金。这类四元Heusler合金的结构均为LiMgPdSb型结构[8],原子占位有3种方式,对于四元Heusler合金CrFeMnAl,具体如下:

1) Cr原子占3/4位置, Fe原子占1/4位置,Mn原子占1/2位置,Al原子占0位置;

2) Cr原子占3/4位置,Fe原子占1/2位置,Mn原子占1/4位置 ,Al原子占0位置;

3) Cr原子占3/4位置, Fe原子占0位置,Mn原子占1/2位置 ,Al原子占1/4位置[4,9-10]。

图1 CrFeMnAl的3种原子占位的晶体结构模型Fig.1 Three types of crystal structure model

2.2 基态性质

表1 CrFeMnAl的3种结构总能量及晶格常数

为了找出3种晶体结构中最稳定的一种结构,分别对这3种晶体结构进行优化,优化后得到的CrFeMnAl的3种结构总能量、晶格常数如表1。可以看出type (I)的能量为-16 175.23 eV,其平衡晶格常数为5.86(0)Å。

在最稳定的结构下,计算得到CrFeMnAl的总磁矩为0,符合Slater-Pauling规则,满足Mt=Zt-X(X=18/24/28)的要求。其中,Mt表示总磁矩,Zt表示原子中所含价电子总和[11-12]。 CrFeMnAl中原子所含价电子数为24,代入Slater-pauling法则Mt=Zt-24=0。

表2 CrFeMnAl的总磁矩及各个原子的磁矩Table 2 Magnetic moment and total magnetic moment of each atom of CrFeMnAl

2.3 磁性结构

2.3.1 态密度

表3 各原子价电子数Table 3 Number of valence electrons

为了进一步研究CrFeMnAl合金的电子结构,在图2画出了费米面附近2个自旋方向的能带结构图。

图2(a)和图2(b),分别表示CrFeMnAl自旋向上的能带和自旋向下的能带。可以看出:CrFeMnAl自旋向上的能带中,导带底和价带顶在费米能级处不存在交叠,存在着半金属的带隙,呈现半导体的性质;在自旋向下的能带中,导带底和价带顶在费米能级处有很强的交叠,呈现出金属性[13-14]。

(a)自旋向上; (b)自旋向下图2 CrFeMnAl能带结构图Fig.2 Energy band structure of Cr2MnAs

2.3.2 态密度

为了定性研究CrFeMnAl的磁性,对合金在最稳定结构(typeI结构)下进行优化后,绘制了平衡晶格常数a=5.86(0)Å时的总态密度(DOS)图像。如图3(a)所示。由图3(a)可以看出,在费米能级附近,自旋向上的态密度为0 eV,这表明CrFeMnAl有极大的极化率;而在费米面附近自旋向下的态密度为-10.3 eV,表明有金属性。

图3(b)是总的态密度和各个原子态密度的投影,从图3(b)可以看出,自旋向上的方向在费米面有一个约为0.28 eV的能隙,展现出半导体的性质。同时,在-1.42 eV和1.05 eV左右各存在一个峰值;对态密度贡献最大的是Cr和Fe这2个原子。自旋向下的方向在费米面附近的态密度为-10.3Electrons/eV,并在-2.80 eV和-0.52 eV附近各存在一个峰值,对态密度贡献最大的是 Fe原子和Mn原子。而Al原子对磁性的影响不大。

图3 (a) 总态密度与原子投影态密度的对比图Fig.3 (a) Density maps of atomic states

图3 (b) CrFeMnAl总的态密度Fig.3 (b) Total state density diagram

图4 各原子分波态密度与总的态密度叠加Fig.4 The atomic density maps superimposed on the total density maps

为进一步说明磁性来源,将CrFeMnAl总的态密度分别和Cr原子的3d轨道电子、Fe原子的3d轨道电子、Mn原子的3d轨道电子、Al原子的2p轨道电子叠加(图4)。从图4中可以看出,CrFeMnAl自旋向上方向磁性主要来源于Cr-3d电子态和Fe原子的Fe-3d电子态。态密度在费米面附近峰值的位置错开,说明发生了劈裂,主要发生在Cr的3d轨道电子与在Fe的3d轨道电子,同时二者发生了杂化。自旋向下方向磁性来源是Cr原子的3d轨道电子与Mn的3d轨道电子劈裂并发生杂化所致,而Al原子的2p电子态密几乎为0,几乎对磁性无贡献,这与计算出的磁矩结果符合。