[論文レビュー] First-principles study of four quaternary Heusler alloys ZrMnVZ and ZrCoFeZ (Z=Si, Ge)

Huanhuan Xie, Qiang Gao+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2015

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 16被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、第一原理的手法を用いて、四元系ヒュースラー合金 ZrMnVSi、ZrMnVGe、ZrCoFeSi、ZrCoFeGe の電子的および磁気的性質を調査した。その結果、最初の3つはスピンギャップが 0.14 eV、0.18 eV、0.22 eV の半金属的フェロ磁性体であることが判明した。一方、ZrCoFeGe は平衡状態で 98.99% のスピン偏極を示し、ほぼ半金属的フェロ磁性体である。圧力下では、ZrCoFeGe は 0.20 GPa の圧力で完全な半金属的性質を示すようになり、高いスピン偏極とチューナブルな半金属性を示すため、スピントロニクス応用への強い可能性を示している。

ABSTRACT

We investigate the electronic structure and magnetic properties of four quaternary Heusler alloys ZrMnVZ and ZrCoFeZ (Z=Si, Ge) by using first-principle calculations. It is shown that ZrMnVSi, ZrMnVGe and ZrCoFeSi are half-metallic ferromagnets with considerable half-metallic gaps of 0.14, 0.18 and 0.22 eV, respectively. ZrCoFeGe is a nearly half-metallic, the changes of properties for this alloy under pressure is investigated, the spin polarization of this alloy is 98.99\% at equilibrium lattice constant.

研究の動機と目的

• スピントロニクス応用に適した、高いスピン偏極を示す新しい半金属的フェロ磁性体の同定。
• 格子ひずみおよび静水圧の下での四元系ヒュースラー系における半金属性の安定性の調査。
• 四元系ヒュースラー系におけるスレーター＝ポールティング則の妥当性の検証および磁気的相互作用の分析。
• ZrMnVZ および ZrCoFeZ (Z = Si, Ge) の電子構造および磁気的性質を第一原理計算を用いて検討。

提案手法

• スカラー相対論的フルポテンシャル線形化補間平面波 (FPLO) 法を用いた密度汎関数理論 (DFT) を採用した。
• 交換相関ポテンシャルには、Perdew-Burke-Ernzerhof 96 (PBE) の一般化勾配近似 (GGA) を使用した。
• ブリユアンゾーンの統合には 20×20×20 の k メッシュを用い、密度の収束基準を 10⁻⁶、全エネルギーの収束基準を 10⁻⁸ ハートリーに設定した。
• 全三つの可能な結晶構造についてスピン極化を考慮した全エネルギーおよびバンド構造計算を実施し、最も安定した相を同定した。
• マーナヒャンの状態方程式を用いて、静水圧下における格子定数の変化をモデル化した。
• スピン偏極および半金属ギャップは、フェルミ準位における状態密度 (DOS) から計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 四元系ヒュースラー合金 ZrMnVZ および ZrCoFeZ (Z = Si, Ge) のうち、どの物質が半金属的フェロ磁性を示すか？
• RQ2 一様なひずみまたは静水圧の下で、半金属ギャップはどの程度安定か？
• RQ3 これらの合金の磁気モーメントは、スレーター＝ポールティング則にどの程度従うか？
• RQ4 ZrCoFeGe は、圧力を加えることで完全な半金属的性質を示すようになるか？
• RQ5 d 軌道の混合および磁気的相互作用が、電子構造を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• ZrMnVSi、ZrMnVGe、ZrCoFeSi は、それぞれ 0.14 eV、0.18 eV、0.22 eV の半金属ギャップを示す半金属的フェロ磁性体として確認された。
• ZrCoFeSi の全磁気モーメントは、式量当たり 1.00 μB であり、Ztot = 25 のスレーター＝ポールティング則と整合的である。
• ZrCoFeGe は、平衡状態で 98.99% のスピン偏極を示し、ほぼ半金属的挙動を示している。
• 0.20 GPa の圧力を加えることで、スピンダウンチャネルにバンドギャップが形成され、ZrCoFeGe は完全な半金属的性質を示すようになった。
• ZrMnVSi、ZrMnVGe、ZrCoFeSi では、それぞれ 4%、4%、8% の格子圧縮に対しても半金属性が維持された。
• 63.97 GPa を超えると、ZrCoFeGe の磁気モーメントが消え、フェロ磁性を失うようになった。