[論文レビュー] First-principles study of exchange interactions and Curie temperatures of half-metallic ferrimagnetic full Heusler alloys Mn2VZ (Z=Al, Ge)

E. Şaşıoğlu, L. M. Sandratskii+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2005

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、フローズン・スピンのアプローチを用いた第一原理的密度汎関数理論を用いて、半金属的フェリ磁性体であるヘースラー合金Mn2VZ（Z=Al, Ge）の原子間交換相互作用およびキュリー温度を計算した。その結果、競合するMn–Mn交換相互作用がほぼ相殺され、強力な反強磁性的Mn–V相互作用が支配的となり、Mnサブラティスの強磁性を駆動し、Mn2VAlのキュリー温度は638 K（実験値と良好に一致）であり、Mn2VGeの予測キュリー温度は413 Kであることが判明した。

ABSTRACT

We report the parameter-free, density functional theory calculations of interatomic exchange interactions and Curie temperatures of half-metallic ferrimagnetic full Heusler alloys Mn2VZ (Z=Al, Ge). To calculate the interatomic exchange interactions we employ the frozen-magnon approach. The Curie temperatures are calculated within the mean-field approximation to the classical Heisenberg Hamiltonian by solving a matrix equation for a multi-sublattice system. Our calculations show that, although a large magnetic moment is carried by Mn atoms, competing ferromagnetic (inter sublattice) and antiferromagnetic (intra sublattice) Mn-Mn interactions in Mn2VAl almost cancel each other in the mean-field experienced by the Mn atoms. In Mn2VGe the leading Mn-Mn exchange interaction is antiferromagnetic. In both compounds the ferromagnetism of the Mn subsystem is favored by strong antiferromagnetic Mn-V interactions. The obtained value of the Curie temperature of Mn2VAl is in good agrement with experiment. For Mn2VGe there is no experimental information available and our calculation is a prediction.

研究の動機と目的

• 半金属的フェリ磁性体のフルヘースラー合金Mn2VZ（Z=Al, Ge）における磁気秩序の起源を理解すること。
• 原子間交換相互作用がフェリ磁性状態を安定化させる役割を特定すること。
• パラメータフリーなアプローチを用いてキュリー温度を計算し、実験データと比較すること。
• まだ合成されていないMn2VGeのキュリー温度を予測すること。

提案手法

• 交換相関ポテンシャルに一般化勾配近似（GGA）を用いた密度汎関数理論（DFT）。
• 原子間交換相互作用J(R,R')を計算するためのフローズン・スピンのアプローチ。
• 多サブラティス系におけるキュリー温度を求めるために、古典的ヘイゼンベルグハミルトニアンと平均場近似（MFA）を用いる。
• 交換相互作用テンソルを含む行列方程式を解き、最大固有値を求める。この固有値がキュリー温度に対応する。
• 実験的格子定数を用い、Mn–Mn、V–V、およびMn–Vの内部およびサブラティス間相互作用を考慮する。
• 電子構造に基づいて、パラメータフリーな磁気転移温度の予測が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mn2VZ（Z=Al, Ge）におけるMn–MnおよびMn–V交換相互作用の性質と相対的強度は何か？
• RQ2 短いMn–Mn距離が反強磁性を促進するにもかかわらず、なぜMn2VAlは高いキュリー温度を示すのか？
• RQ3 競合するMn–Mn相互作用は、Mn2VZにおけるネット交換場および磁気秩序にどのように影響するか？
• RQ4 Mn2VGeの予測キュリー温度は何か？ また、Mn2VAlと比較するとどうなるか？
• RQ5 キュリー温度の決定において、Mn–V相互作用がMn–Mn相互作用に比べてどの程度優位であるか？

主な発見

• Mn2VAlにおける最近接Mn–Mn交換相互作用は強磁性であり、2番目に近い近接相互作用は反強磁性であるため、ネット交換場において強いキャンセレーションが生じる。
• Mn2VGeでは、主なMn–Mn相互作用は反強磁性的であるが、Mnサブラティスの強磁性的秩序は、さらに強い反強磁性的Mn–V相互作用によって安定化されている。
• Mn2VAlではMn–V交換相互作用が最近接Mn–Mn相互作用の5倍強く、Mn2VGeでは20倍強く、これが磁気秩序の支配的要因である。
• Mn2VAlのキュリー温度は638 Kと計算され、実験値760 Kと良好に一致している（不純物の影響による差異とされる）。
• Mn2VGeの予測キュリー温度は413 Kであり、Mn–Mn相互作用を含めると15%の低下を示し、これはわずかではあるが無視できない寄与であることを示している。
• V–V交換相互作用は無視できるほど小さく、磁気モデルにおいて安全に無視できる。