四元赫斯勒合金CrIrVSb的半金属性和磁性

吴 闯, 郑 伟, 高 岩, 姜 伟

(1. 沈阳工业大学 环境与化学工程学院, 沈阳 110870; 2. 沈阳师范大学 实验教学中心, 沈阳 110034; 3. 沈阳科技学院 基础部, 沈阳 110167)

0 引 言

图1 赫斯勒合金的晶体结构Fig.1 Crystal structure of Heusler alloy

自旋电子学是近些年来发展迅速的一门新兴学科,它在应用电子的电荷属性的同时将电子自旋作为载体,进而提高信息处理和存储的效率。在过去几年中,自旋电子学的研究和应用已经在计算机存储方面发挥了巨大作用。自旋电子学材料需要具备一些特定的条件,即具有较高的自旋极化率和较长的弛豫时间,大多数赫斯勒合金因为具有半金属性而表现出100%自旋极化率的理论值,使之成为自旋电子学材料中的一个热门研究对象[1-5]。赫斯勒合金具有空间立方结构,分为全赫斯勒合金X2YZ和半赫斯勒合金XYZ,其中X,Y为过渡金属元素,Z为主族元素,如图1所示。

到目前为止,全赫斯勒合金X2YZ的结构、半金属性、磁性、力学性质和光学性质等已经被广泛研究,同时人们发现用过渡金属元素替换一个X2YZ晶胞中的一个X原子,可以结晶成具有稳定结构的四元赫斯勒合金XX′YZ,该类合金已经被证明为具有LiMdPdSn结构类型的逆赫斯勒合金[6-8]。本文试图通过用5d族过渡金属元素Ir替换全赫斯勒合金Cr2VSb中的一个Cr原子,使其结晶为具有稳定结构的四元CrIrVSb合金,并研究该合金的半金属性质和磁性。

1 研究方法

应用第一性原理的计算方法,使用Materials Studio 6.0中的CASTEP计算模块。计算中采用广义梯度近似下的PBE交换关联势。在参数设置上,设定体系的截断能为700 eV,在布里渊区k-points的设置为15×15×15,同时设定k-points间距为0.015 Å-1,当最大位移小于5.0×10-4Å,总能量变化小于1×10-6eV·atom-1,最大应力张量小于0.02 GPa时,认为自洽循环过程是收敛的。

2 研究内容

2.1 CrIrVSb合金的结构稳定性

本课题组前期的工作[9]已经研究了Cr2VSb合金的半金属性和磁性,根据四元赫斯勒合金的结构特点,用Ir原子替换Cr2VSb晶胞的一个Cr原子,假定可以形成四元稳定赫斯勒合金CrIrVSb,该结构具有3种非等价的结构配置[10],如图2所示。

图2 CrIrVSb合金的3种非等价结构配置Fig.2 Three nonequivalent structure configurations of CrIrVSb alloy

使用CASTEP的几何优化功能对3种非等价结构进行几何优化,计算得到的能量、晶格常数以及磁矩信息如表1所示。

表1 CrIrVSb合金的能量、晶格常数和磁矩Table 1 Energy,lattice parameter and magnetic moments of CrIrVSb alloy

图3 3种非等价结构下CrIrVSb合金能量随晶格常数的变化曲线Fig.3 E-a curve of CrIrVSb alloy under three nonequivalent structure

表1的计算结果表明,当CrIrVSb合金具有Type 3结构配置时,能量最低为基态,各个原子的磁矩信息表明该结构为亚铁磁性结构;具有Type 1结构配置时,能量次低,总磁矩具有整数值,为CrIrVSb合金的亚稳态,该状态下合金仍为亚铁磁性材料。为了进一步研究CrIrVSb合金的基态和亚稳态的稳定性,计算了3种结构在不同晶格常数下的能量,并绘制了能量随晶格常数的变化曲线,如图3所示。

图3中CrIrVSb合金的3种非等价结构的能量随晶格常数的变化曲线都存在能量的最小值,说明3种结构都是稳定结构,其中,基态(Type 3)的能量最低,对应的平衡晶格常数为6.319 Å,亚稳态(Type 1)对应的平衡晶格常数为6.219 Å。由于亚稳态结构的总磁矩具有整数值,这是半金属材料的一个典型特点,因此接下来主要对比研究CrIrVSb合金基态和亚稳态的半金属性和磁性。

2.2 CrIrVSb合金的半金属性

自旋极化率的计算公式为[11]

(1)

其中N↑(EF)和N↓(EF)分别表示费米能级附近多数自旋通道和少数自旋通道的电子数目。对于半金属材料,由于在一个自旋通道上费米能级附近存在带隙,使得该通道上费米能级附近电子数目为0,因而具有100%的自旋极化率。某一种材料是否具有半金属性,可以通过材料的能带结构来研究,计算得到的CrIrVSb合金平衡晶格常数下基态和亚稳态的能带结构如图4所示。

由图4可以看出,对于基态CrIrVSb合金的2个自旋通道上费米能级附近没有带隙,均表现出金属性,说明基态CrIrVSb合金为一般性金属材料;对于亚稳态CrIrVSb合金的多数自旋通道表现为金属性,但在少数自旋通道上存在一个能量约为0.61 eV的带隙,表现出半导体特性[12-13],因此亚稳态CrIrVSb合金为半金属性材料,具有100%的自旋极化率理论值。

图4 基态和亚稳态CrIrVSb合金的能带结构Fig.4 Band structure of CrIrVSb alloy under ground and metastable states

2.3 CrIrVSb合金的磁性

磁性的差异直接导致自旋电子学材料信息的注入和读取,研究赫斯勒合金的磁性是一项必不可少的内容。通过合金的态密度分布曲线来研究磁性是一种常见的方法,计算得到的基态和亚稳态CrIrVSb合金的态密度曲线如图5所示。

图5 基态和亚稳态CrIrVSb合金的态密度Fig.5 Density of states of CrIrVSb alloy under ground and metastable states

图5中基态和亚稳态CrIrVSb合金的总态密度表明,2种状态下的CrIrVSb合金都具有良好的磁性,同时可以发现:费米能级附近的总态密度主要来源于过渡金属原子的态密度,Sb原子态密度几乎为零,即合金的磁性来源于过渡金属原子的电子自旋贡献;在费米能级附近表示Cr、V和Ir的态密度曲线存在交叉分布,说明存在杂化,即合金磁性与过渡金属原子的电子轨道杂化有关。

由图5中基态CrIrVSb合金的总态密度曲线可以大致求得在费米能级附近多数自旋通道和少数自旋通道的电子数目,根据公式(1)求得基态CrIrVSb合金的自旋极化率约为75%。对于亚稳态CrIrVSb合金的总态密度分布,显然在少数自旋通道上费米能级附近存在明显的带隙,再一次说明亚稳态CrIrVSb合金为半金属材料,具有100%的自旋极化率理论值。

图6 亚稳态CrIrVSb合金的总磁矩和原子磁矩随晶格常数的变化曲线Fig.6 Total and each atom magnetic moments vs various lattice parameters for CrIrVSb alloys under metastable states

通常情况下,材料的物理性质,如半金属性、磁性等会受到材料形变的影响[14-15]。为了研究亚稳态CrIrVSb合金的半金属性和磁性与形变的关系,我们假定合金在压力或拉力作用下其体积在各个方向上均匀变化,这样通过改变晶格常数就可以表示合金在应力作用下发生的形变,计算得到的亚稳态CrIrVSb合金在不同晶格常数下的总磁矩和原子磁矩变化关系如图6所示。

图6发现亚稳态CrIrVSb合金在一定的晶格常数变化范围内,其总磁矩始终为1 μB的整数值,说明合金的半金属性和磁性不会受到形变的影响。同时也发现V原子和Cr原子的磁矩随着晶格常数的增大明显变大,但二者之间的反向耦合作用不会使总磁矩发生改变。

3 结 论

基态CrIrVSb合金为具有较高自旋极化率(≈75%)的亚铁磁性金属材料,平衡晶格常数为6.319 Å,合金磁性主要来源于过渡金属原子的电子自旋以及d电子轨道之间的杂化劈裂。亚稳态CrIrVSb合金为亚铁磁性半金属材料,具有100%的自旋极化率,平衡晶格常数为6.219 Å,磁性同样主要来源于过渡金属原子的电子自旋以及d电子轨道之间的杂化劈裂,同时合金的半金属性和磁性不受形变的影响。