[論文レビュー] Impact of local arrangement of Fe and Ni in Fe-Ni-Al Heusler alloys on the phase stability and magnetocrystalline anisotropy

V. V. Sokolovskiy, О. Н. Мирошкина+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2021

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、超格子計算を用いた密度汎関数理論（DFT）を用いて、Fe₂Ni₁₊ₓAl₁₋ₓヒュースラー合金におけるFeおよびNi原子配列が相安定性および磁気歪み異方性（MAE）に与える影響を調査した。その結果、Fe₂NiAlにおけるFe/Ni交互の立方構造が最大の軸性MAEを示し、これはテトラゴナルL1₀ FeNiの2倍であった。一方、AlサイトへのNiドーピングはMAEを低下させ、Fe₂NiAlおよびFeNi相への相分離を引き起こした。

ABSTRACT

On the basis of the density functional calculations in combination with the supercell approach, we report on a complete study of the influences of atomic arrangement and Ni substitution for Al on the ground state structural and magnetic properties for Fe$_2$Ni$_{1+x}$Al$_{1-x}$ Heusler alloys. We discuss systematically the competition between five cubic Heusler-type structures formed by shuffles of Fe and Ni atoms to reveal routes for improving the phase stability and magnetic properties, in particular magnetocrystalline anisotropy~(MAE). We predict that in case of Fe$_2$NiAl the ground state cubic structure with alternated layers of Fe and Ni possesses the highest uniaxial MAE which twice larger than that for the tetragonal L1$_0$ FeNi. The successive Ni doping at Al sublattice leads to a change of ground state structure and to reduce of the MAE. In addition, the phase stability against the decomposition into the stable systems at finite-temperatures is discussed. All~Ni-rich Fe$_2$Ni$_{1+x}$Al$_{1-x}$ are turned to be decomposed into a dual-phase consisting of Fe$_2$NiAl and FeNi.

研究の動機と目的

• Fe₂Ni₁₊ₓAl₁₋ₓヒュースラー合金におけるFeおよびNiの局所的原子配列が構造的および磁気的安定性に与える影響を理解すること。
• スピントロニクス応用を想定し、磁気歪み異方性（MAE）を最大にする最適なFe/Ni配列構造を特定すること。
• 有限温度におけるこれらの合金の熱力学的安定性、特に分解に対する耐性を評価すること。
• Al子格子におけるNi置換に伴う構造的変化および磁気的性質の変化を明らかにすること。
• Fe/Niの入れ替えに起因する5つの立方晶ヒュースラー型構造の間の競合関係を解明すること。

提案手法

• 一般化勾配近似（GGA）を用いた密度汎関数理論（DFT）を用いて、電子的および磁気的性質を計算する。
• 超格子法を用いて、立方晶ヒュースラー格子上におけるFeおよびNiのさまざまな原子配置（秩序的・無秩序的配置を含む）をモデル化する。
• 異なる超格子の全エネルギーおよび生成エネルギーを計算し、相安定性を評価し、基底状態構造を同定する。
• 力定理および非共線スピン取り扱いを用いて磁気歪み異方性エネルギー（MAE）を計算し、異方性寄与を評価する。
• 熱力学的モデルを用いて有限温度での安定性を分析し、平衡相への分解行動を予測する。
• 立方晶Fe/Ni交互構造のMAEとテトラゴナルL1₀ FeNi相のMAEを比較し、異方性の増幅を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe₂NiAlにおける5つの立方晶ヒュースラー型構造の中で、どのFe/Ni原子配列が最大の磁気歪み異方性（MAE）を示すか？
• RQ2 Al子格子におけるNi置換が、Fe₂Ni₁₊ₓAl₁₋ₓ合金の基底状態構造およびMAEにどのように影響を与えるか？
• RQ3 有限温度におけるNiを豊富に含むFe₂Ni₁₊ₓAl₁₋ₓ合金の熱力学的安定性はいかにか？ 他の相に分解するか？
• RQ4 立方晶Fe/Ni交互構造のMAEは、テトラゴナルL1₀ FeNi相のMAEと定量的にどのように比較できるか？
• RQ5 Fe₂Ni₁₊ₓAl₁₋ₓ合金が熱力学的平衡状態にある場合、支配的な分解生成物は何か？

主な発見

• Fe₂NiAlにおけるFe/Ni交互の立方構造が最大の軸性磁気歪み異方性（MAE）を示し、これはテトラゴナルL1₀ FeNi相の2倍であった。
• AlサイトへのNi置換は、立方相から二相混合状態への構造的転移を引き起こし、主にFe₂NiAlおよびFeNi相が分解生成物として支配的となった。
• すべてのNiを豊富に含む組成（Fe₂Ni₁₊ₓAl₁₋ₓ）は、有限温度において熱力学的に不安定であり、Fe₂NiAlおよびFeNi相への分解を示した。
• AlサイトにおけるNi含有量の増加に伴い、MAEは段階的に低下した。これは構造的および磁気的異方性の低下に起因する。
• Fe₂NiAlの基底状態構造は、Fe/Niの秩序配列によって安定化され、交互層配置がエネルギー的に最も有利な構造であった。
• 本研究では、相安定性と高いMAEの間で明確なトレードオフが存在することが判明した。最適なMAEは秩序的立方晶Fe₂NiAl相で達成されるが、Niドーピングによってその安定性が損なわれた。