[論文レビュー] Lattice Dynamics, Mechanical Properties, Electronic Structure and Magnetic Properties of Equiatomic Quaternary Heusler Alloys CrTiCoZ (Z = Al, Si) Using First Principles Calculations

Eesha Andharia|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 68被引用数 17

ひとこと要約

本研究は第一原理的アプローチを用いてCrTiCoZ（Z = Al, Si）の等原子比四元Heusler合金を調査し、CrTiCoAlがスピンダウンチャネルに0.15 eVの直接バンドギャップを示す半金属的フェリ磁性を示し、100%のスピン分極、-2.00 μBの磁化モーメント、385 KのCurie温度を示すことが判明した。これは室温をはるかに上回るため、スピントロニクス素子用に非常に有望なスピンインジェクタである。一方、CrTiCoSiは99.7%のスピン分極を示すがCurie温度は室温未満である。

ABSTRACT

First principles calculations are performed to investigate the thermodynamical stability, dynamical, mechanical, electronic and magnetic properties of CrTiCoZ (Z = Al/Si) novel quaternary Heusler alloys. A Y-type III atomic configuration is found to be the most stable structure for both compounds. The lattice constant values obtained using GGA-PBE approach are 5.9368 Å and 5.7853 Å for CrTiCoAl and CrTiCoSi, respectively. Using the value of elastic moduli for both the compounds, the computed Pugh’s ratio value is 2.5 and 2.7 for CrTiCoAl and CrTiCoSi, respectively, which is higher than 1.75, indicating both the compounds are ductile in nature. The melting temperatures of both compounds are as high as 2142 K and 2420 K for CrTiCoAl and CrTiCoSi, respectively. The electronic structure calculations, using the GGA-PBE approach, show a half metallic behavior of CrTiCoAl. The spin-down channel exhibits a direct band gap of 0.15 eV, whereas the spin-up channel is metallic, making CrTiCoAl a half metallic ferromagnet with 100% spin polarization and an appreciable magnetic moment of −2 μB. However, CrTiCoSi is found to be semi-metallic in the spin-down channel and metallic in the spin-up channel, which leads to a spin polarization of 99.7% with a non-integer magnetic moment of −0.99 μB. The Curie temperature of CrTiCoAl is well above the room temperature (385 K), whereas that of CrTiCoSi is below the room temperature (203 K). Thus, CrTiCoAl is found to be more promising than CrTiCoSi as a spin injector in spintronic devices.

研究の動機と目的

• CrTiCoZ（Z = Al, Si）四元Heusler合金の熱力学的・動的安定性、機械的安定性、電子的および磁気的安定性を評価すること。
• 可能なY型III構造のうち、最も安定な原子配置を同定すること。
• これらの合金がスピントロニクス素子用スピンインジェクタ材料として適しているかどうかを、その電子的および磁気的性質に基づいて評価すること。
• 室温応用を想定した場合に、CrTiCoAlとCrTiCoSiのCurie温度およびスピン分極度を比較すること。

提案手法

• GGA-PBE交換相関関数を用いたスピン極性密度汎関数理論（DFT）計算をVASPパッケージを用いて実施した。
• Y型III構造の熱力学的安定性を評価するため、生成エネルギーを計算した。
• 4×4×4スーパーセルを用いた有限変位法により、Phonopyパッケージを用いてフォノン分散関係を計算し、動的安定性を確認した。
• 応力-ひずみ関係を用いて弾性定数および機械的性質（例えば、Pugh比、融点）を計算した。
• WIEN2kを用い、FP-LAPW法を用いて電子状態密度（DOS）、バンド構造、スピン分極を計算した。
• Slater-Pauling則および経験則を用いて、全磁化モーメントに基づきCurie温度を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CrTiCoZ（Z = Al, Si）四元Heusler合金において、どの原子配置（Y型III）が熱力学的および動的安定性が最も高いか？
• RQ2 CrTiCoAlおよびCrTiCoSiは、電子バンド構造において半金属的または半金属的特性を示すか？
• RQ3 これらの化合物のスピン分極度およびネット磁化モーメントは何か？また、100%スピン分極の基準を満たしているか？
• RQ4 予測されるCurie温度は何か？室温応用に適した水準を超えているか？
• RQ5 これらの化合物の機械的および融点特性は、デバイス統合への可能性をどのように支持するか？

主な発見

• Y型III構造は、正のフォノン周波数が得られたことから、CrTiCoAlおよびCrTiCoSiの両者において熱力学的および動的安定性が最も高い構造であることが確認された。
• CrTiCoAlはスピンダウンチャネルに0.15 eVの直接バンドギャップを示し、半金属的フェリ磁性を示し、100%のスピン分極を示す。
• CrTiCoSiはスピンダウンチャネルで半金属的挙動を示し、スピンアップチャネルで金属的挙動を示すため、99.7%のスピン分極を示す。
• 全磁化モーメントは、CrTiCoAlで-2.00 μB、CrTiCoSiで-0.99 μBであり、Cr原子が最大のスピンモーメントを寄与している。
• CrTiCoAlのCurie温度は385 Kであり、室温をはるかに上回るが、CrTiCoSiのCurie温度は203 Kであり、室温未満である。
• 融点は、CrTiCoAlで2142 K、CrTiCoSiで2420 Kであり、デバイス応用に適した高い熱安定性を示している。