[論文レビュー] Doping of Mn$_2$VAl and Mn$_2$VSi Heusler alloys as a route to half-metallic antiferromagnetism

I. Galanakis, K. Özdoğan+2 more|ArXiv.org|Jan 25, 2007

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、スピントロニクス素子にとって望ましいゼロのネット磁化と最小限の外部磁場を有する半金属反強磁性（HMA）を達成するためのMn2VAlおよびMn2VSiヘスラー合金におけるCo共ドーピングを提案する。第一原理計算により、価電子総数が24に達すると、強いMn-Co混成が生じ、スティーナー基準を満たして磁気秩序が駆動され、Co共ドーピング化合物がHMAとなることが示されている。一方、Fe共ドーピング系では非磁性半金属となる。

ABSTRACT

Half-metallic antiferromagnets are the ideal materials for spintronic applications since their zero magnetization leads to lower stray fields and thus tiny energy losses. Starting from the Mn$_2$VAl and Mn$_2$VSi alloys we substitute Co or Fe for Mn and we show by means of first-principle electronic structure calculations that the resulting compounds are ferrimagnets. When the total number of valence electrons reaches the magic number of 24 the Fe-doped compounds are semi-metals and thus non-magnetic while the Co-doped ones show the desirable half-metallic antiferromagnetic character. The compounds are very likely to be synthesized experimentally since the parent compounds, Mn$_2$VAl and Co$_2$VAl, have been already grown in the Heusler $L2_1$ lattice structure.

研究の動機と目的

• ヘスラー合金における半金属反強磁性（HMA）を達成するドーピング戦略を探索すること。HMAはゼロのネット磁化と最小限のエネルギー損失を有するため、スピントロニクス応用に最適である。
• 理想的なHMA化合物（例：MnCrSb や Mn3Ga）が安定な構造に結晶化しないことから、実材料におけるHMAの実現に課せられる課題に対処すること。
• Mn2VAlおよびMn2VSiにおけるMnの置換としてCoまたはFeを導入することで、HMAの安定化と半金属的性質の維持が可能かどうかを調査すること。
• HMAが出現する電子的および磁気的条件、特に価電子数と混成効果の役割を特定すること。

提案手法

• 局所密度近似（LDA）を用いたフルポテンシャル線形化された平面波法（FPLO）による第一原理電子構造計算。
• Mnのランダム置換ドーピングをモデル化するための一貫性ポテンシャル近似（CPA）の適用。
• 全密度および原子別密度状態（DOS）の計算により、電子構造を分析し、フェルミ準位におけるギャップの有無を特定。
• スレーター＝ポーリング則を用いて、価電子数に基づく全スピンモーメントの予測を行い、24電子を臨界閾値として設定。
• 非磁性状態の安定性を評価するため、スティーナー基準の分析。
• Fe共ドーピング系とCo共ドーピング系の比較により、Mn-Co混成が磁気秩序を駆動する役割を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Co共ドーピングにより、Mn2VAlおよびMn2VSiが半金属的反強磁性に転移するか？
• RQ2 24価電子条件がドーピングヘスラー化合物の磁気基底状態を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 両者とも24価電子に達しているにもかかわらず、なぜCo共ドーピング系はHMAを形成するが、Fe共ドーピング系は非磁性半金属となるのか？
• RQ4 Mnとドーパント（CoまたはFe）のオービタル間の混成が、フェルミ準位における状態密度および磁気秩序の安定性にどのように寄与するか？
• RQ5 両者とも24価電子で非磁性状態にあり、Co共ドーピング系では磁気秩序が優位であるのに対し、Fe共ドーピング系ではそのような傾向が見られない場合、スティーナー基準がその差を説明できるか？

主な発見

• 価電子総数が24に達する濃度でCo共ドーピングされたMn2VAlおよびMn2VSiは、スピンアップチャネルにギャップを有する半金属的反強磁性基底状態を示し、ネットスピンモーメントはゼロとなる。
• Co共ドーピング化合物の非磁性相では、強いMn-Co混成によりフェルミ準位に高い状態密度が存在し、スティーナー基準を満たして磁気秩序の形成が促進されるため、HMA状態が生じる。
• それに対して、24価電子を持つFe共ドーピング化合物は、擬似ギャップ内にフェルミ準位が位置し、スティーナー基準を満たさないため、非磁性半金属となる。
• Co共ドーピング系の原子スピンモーメントは、MnとCoの間で反平行配置を示し、フェリ磁性秩序に一致しており、x=0での全スピンモーメントは-2.0 μBからx=1でほぼゼロに減少する。
• V原子のスピンモーメントはドーピング濃度にかかわらず一貫して約0.9–1.1 μBを維持し、Mnのモーメントは約-1.5 μBのままであるため、フェリ磁性配置の安定性が示される。
• Co共ドーピングされたMn2VAlおよびMn2VSiにおける予測されたHMA行動は、実験的に実現可能である。Mn2VAlおよびCo2VAlは両方ともヘスラーL21構造で合成済みである。