[論文レビュー] Defects-driven appearance of half-metallic ferrimagnetism in Co-Mn--based Heusler alloys

K. Özdoğan, I. Galanakis+2 more|ArXiv.org|Feb 19, 2007

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Co₂MnZ Heusler合金におけるMn原子がCo格子サイトを占める反位相欠陥（Mnアンチサイト）を導入することで、強固な半金属的フェリ磁性が誘発されることを示している。第一原理計算を用いて、これらのMn不純物が強い交換スピン分離にもかかわらず、大きな反平行スピンモーメントを形成し、半金属ギャップを維持することを明らかにした。その結果、総スピンモーメントが著しく減少し、低消費電力スピントロニクス素子に適した状態が得られる。

ABSTRACT

Half-metallic ferromagnetic full-Heusler alloys containing Co and Mn, having the formula Co$_2$MnZ where Z a sp element, are among the most studied Heusler alloys due to their stable ferromagnetism and the high Curie temperatures which they present. Using state-of-the-art electronic structure calculations we show that when Mn atoms migrate to sites occupied in the perfect alloys by Co, these Mn atoms have spin moments antiparallel to the other transition metal atoms. The ferrimagnetic compounds, which result from this procedure, keep the half-metallic character of the parent compounds and the large exchange-splitting of the Mn impurities atoms only marginally affects the width of the gap in the minority-spin band. The case of [Co$_{1-x}$Mn$_x$]$_2$MnSi is of particular interest since Mn$_3$Si is known to crystallize in the Heusler $L2_1$ lattice structure of Co$_2$MnZ compounds. Robust half-metallic ferrimagnets are highly desirable for realistic applications since they lead to smaller energy losses due to the lower external magnetic fields created with respect to their ferromagnetic counterparts.

研究の動機と目的

• Co₂MnZ Heusler合金にMnアンチサイト欠陥が与える半金属的フェリ磁性の発現を調査すること。
• Mn原子がCo格子サイトに移動することで、電子構造および磁気的秩序がどのように変化するかを理解すること。
• フェリ磁性化合物の安定性および半金属的性質が、フェリ磁性の母体相と比較していかに保たれるかを評価すること。
• 不純物工学を施した材料の低エネルギー消費スピントロニクス応用の可能性を、ネット磁化モーメントの低減という観点から評価すること。
• 既知のHeusler構造を示すMn₃Siとされる[Co₁₋ₓMnₓ]₂MnSiの具体的な状況を検討すること。

提案手法

• 電子構造計算に、フルポテンシャル非直交基底関数を用いた局所オビタル最小基底法（FPLO）を採用した。
• Mnアンチサイトに起因するランダム置換不純物をモデル化するため、一貫性ポテンシャル近似（CPA）を適用した。
• 遷移金属系におけるスピン軌道結合効果を考慮するため、スカラー相対論的定式化を用いた。
• Co₂MnZ（Z = Al, Ga, Si, Ge, Sn）に対して、CoサイトにおけるMn濃度を増加させた第一原理計算を実施した。
• 密度汎関数（DOS）およびスピン磁化モーメントの解析により、半金属性およびフェリ磁性秩序の確認を行った。
• 異なるZ元素におけるスピンモーメントおよびバンドギャップの変化を比較することで、半金属性の頑健性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Co₂MnZ Heusler合金におけるMnアンチサイトが、電子ギャップを維持したまま半金属的フェリ磁性を誘発できるか？
• RQ2 Coサイトに配置されたMn不純物のスピンモーメントは、完全なCo₂MnZ化合物中のそれと比べてどのように異なるか？
• RQ3 Mn欠陥濃度が上昇することで、これらの合金におけるスピン反対向のギャップ幅にどのような影響が生じるか？
• RQ4 MnアンチサイトCo₂MnZ系では、CrアンチサイトCo₂CrX系と比較してなぜ半金属ギャップがより頑健であるのか？
• RQ5 Z元素（Al, Ga, Si, Ge, Sn）の選択が、Mn欠陥に対する磁気的および電子的応答にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• Co₂MnZ合金においてCo格子サイトを占めるMn原子は、他の遷移金属原子と反平行方向に大きな負のスピンモーメント（AlおよびGa化合物では最大で約-2.8 μB）を形成する。
• Mn不純物による強い交換スピン分離にもかかわらず、スピン反対向の半金属ギャップは頑健に維持され、ギャップ幅の減少は僅かにとどまる。
• Si-, Ge-, Snベースの化合物では、フェルミ準位の下方シフトに伴い、x = 0.025におけるMn不純物のスピンモーメントの大きさが、Siで約-1.9 μBからSnで約-2.6 μBに増加する。
• [Co₁₋ₓMnₓ]₂MnSi系の総スピンモーメントは、母体フェリ磁性化合物と比較して著しく低減しており、これはMnアンチサイトの反平行結合に起因する。
• 全Z元素において半金属的性質が保持されており、特にSi, Ge, Snベースの系で最も安定した挙動を示した。
• CoがMn格子サイトに置換する原子交換は半金属性を破壊するため、半金属的フェリ磁性状態を達成するのは、MnがCoサイトに配置された場合に限ることが確認された。