[論文レビュー] Comparison of two structures for transition-metal-based half Heusler alloys exhibiting fully compensated half metallicity

Michael Shaughnessy, C. Y. Fong+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2011

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、遷移金属を基とする半ヘスラーアロイにおける完全に補償された半金属性を実現するため、S1（d-p混成支配）およびS2（d-d混成支配）の2つの結晶構造を比較した。両構造において完全に補償された半金属的性質を示すのはMnMnSiのみであり、スレイター＝ポールティング則がこのような材料を予測するためのガイドとして提案された。

ABSTRACT

We search for new fully compensated half metals, in which only one electronic spin channel is conducting and there exists no net magnetic moment. We focus on half Heusler alloys and we examine the physical consequence of different crystal structures found in the literature for these compounds, XMnZ, with a transition metal element, such as Cr, Mn, and Fe for X and a nonmetallic element, such as P, Sb and Si for Z. The structures differ in the placement of voids in the L2$_1$ structure of the full Heulser alloy. One structure has the void at (1/4, 3/4, 1/4)a and the other places the void at (0.0, 0.0, 1/2)a. The first structure is expected to have greater d-p hybridization between Mn and the Z atom. The other exhibits strong d-d hybridization between the nearest neighboring transition metal elements. Five XMnZ compounds are considered along with the previously studied CrMnSb in the second structure, which serves as a reference. Besides the CrMnSb, only one other alloy, MnMnSi, shows fully compensated half metallic properties in both structures. Both these alloys obey the Slater-Pauling electron counting rule for half Hesuler alloys. The differences between CrMnSb and MnMnSi in the two structures are discussed based on their atomic properties. In the search for fully compensated half metals in transition metal-based half Heusler alloys, we suggest using the counting rule as a guide.

研究の動機と目的

• 遷移金属を基とする半ヘスラー合金における異なる結晶構造が完全に補償された半金属性に与える影響を調査すること。
• XMnZ化合物の2つの異なる構造バリアント（S1およびS2）間の電子的および結合的特性を比較すること。
• ゼロのネット磁気モーメントおよびフェルミ準位における100％スピン偏極を定義として、どの構造配置が完全に補償された半金属的性質を支持するかを特定すること。
• スレイター＝ポールティング則の電子数カウント法が、新しい完全に補償された半金属を同定する上で予測力を持つかどうかを評価すること。

提案手法

• S1およびS2の両結晶構造における5つのXMnZ化合物の電子構造および状態密度（DOS）を計算するために、密度汎関数理論（DFT）計算が用いられた。
• MnとZ原子間の混成（d-p）またはMn原子間の混成（d-d）の違いを可視化するため、[110]および[001]面に沿った電子密度分布図が作成された。
• スレイター＝ポールティング則を適用して磁気モーメントを予測した：|M = (Nt − 18)μB|、ここでNtは式単位あたりの全価電子数である。
• 原子サイト占有に基づいて構造的バリエーションを分析した：S1では空孔が(1/4, 3/4, 1/4)aに位置し、d-p混成を有利にする。S2では空孔が(0,0,1/2)aに位置し、d-d混成を有利にする。
• CrMnSb、MnMnSiおよび他の化合物の比較的分析を通じて、構造的要因が半金属ギャップおよびスピン偏極に与える影響を評価した。
• バンド構造およびDOSの比較を通じて、非金属元素の価電子（例：Sb対Si）およびMnMnSiにおける余剰d電子の役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半ヘスラー合金のS1およびS2結晶構造は、d-p混成とd-d混成のどちらが支配的かという電子的混成メカニズムにおいてどのように異なるか？
• RQ2 2つの構造のうち、どの構造が遷移金属を基とするXMnZ化合物において完全に補償された半金属的性質を支持するか？
• RQ3 スレイター＝ポールティング則は、これらの系においてゼロのネット磁気モーメントをどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 なぜMnMnSiは両構造において完全に補償された半金属的性質を示すのに対し、他の化合物はそうではないのか？

主な発見

• S1およびS2両結晶構造において完全に補償された半金属的性質を示すのはMnMnSiのみであり、CrMnSbはS2構造でのみこの性質を示す。
• S1構造ではMnと非金属元素（Z）間のd-p混成が優勢であり、より強い結合性を示し、MnとZの間の電子密度がS2に比べて高くなる。
• S2では、最近接するMn原子間のd-d混成が支配的であり、スピンダウン状態のdバンド幅が狭くなり、スピンアップ状態ではt2g準位のエネルギー順序が逆転する。
• MnMnSiのDOSは、CrMnSbと比較してスピンダウン状態で0.2 eVの低下とバンド幅の縮小を示す。これはMn置換に起因する余剰d電子によるものである。
• S1構造は、結合性・反結合性ギャップの開口により一般にエネルギーが低く、安定性および半金属的性質の強化を促進する。
• MnMnSiおよびCrMnSbの両者が、式単位あたり18個の価電子を満たすことでスレイター＝ポールティング則を満たし、ゼロのネット磁気モーメントを示す。これにより、この法則が完全に補償された半金属の予測に有効であることが確認された。