[논문 리뷰] Ab-initio search for half-metallic Co-based full Heusler alloys: Linear-response-based DFT+U study

Kenji Nawa, Yoshio Miura|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 01.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 Co 기반 풀 히우즐러 합금에서 반도체적 반도체성(반금속성, HM) 페로자성의 존재를 규명하기 위해 선형 반응 기반 DFT+U 방법을 적용한다. 그 결과, 少수 스핀 밴드 갭을 결정하는 핵심 요소로 Co-Mn $t_{2g}$ 오비탈 혼성화가 규명되었다. 이 방법은 고온 안정성이 높아 스핀트로닉스 응용에 적합한, 편심적으로 피에르미 수준에 중심을 두고 큰 갭을 가지는 Co₂(Fe₀.₂₅,Mn₀.₇₅)Si를 매우 유망한 HM 재료로 예측한다.

ABSTRACT

The first-principles calculations for exploring half-metallic (HM) ferromagnets with wide band gap around Fermi energy in minority spin channel remains challenging in treatment of correlation effect. The DFT+U method, in which the Hubbard-type effective on-site Coulomb parameters ($U_{eff}$) is theoretically determined from linear response (LR) approach, is a suitable method on a practical level because of an advantage of efficient computational cost. We apply this method for Co-based ternary Heusler alloys Co$_2$YSi where Y is $3d$ transition metal. Based on detailed analyses of calculated band structures for Co$_2$MnSi, we propose an energy diagram that reveals an important atomic-orbital hybridization of Co-Mn $t_{2g}$ state, which is newly discovered and governs minority HM gap around Fermi energy. This unified diagram provides a new insight in that the HM property is possible to be tuned by $t_{2g}$ coupling through a choose of Y atom. We also investigated the role of $U_{eff}$ parameters on the Mn and Co sites independently and found that the correlation effect of Mn site is more significant than that of Co to reproduce the ground-state electronic and magnetic structures in consistent of experimental results. Our LR-based DFT+U method were, further, extended to other compounds including quaternary system Co$_2$(Y,Mn)Si, where a part of Mn is substituted with Y, to explore a possibility of the HM ferromagnetism in Co-based full Heusler alloys. The results indicate that the quaternary compound have a potential to be a HM ferromagnet when a composition of substituting element is appropriately selected, i.e., Y$= m{Ti}$, V, Fe. Particularly, Co$_2$(Fe$_{0.25}$,Mn$_{0.75}$)Si shows great promise in the spintronics applications due to a sizable minority HM gap and Fermi energy position being at center of the gap, which lead to high thermal stability in terms of the HM band structure.

연구 동기 및 목표

• Co 기반 풀 히우즐러 합금에서 少수 스핀 채널에 넓은 밴드 갭을 가지는 반금속성 페로자성체를 규명하는 것.
• 전이 금속 체계에서 전자 상호작용 효과를 계산적으로 효율적인 방법으로 정확히 처리하는 데 도전하는 것.
• Co₂YSi 계열에서 3d 전이 금속으로 Mn을 치환함으로써 반금속성 행동의 조절 가능성을 탐색하는 것.
• 실험적 전자 및 자기 기저 상태를 재현하기 위해 Mn과 Co 자리에 대한 효과적 U 값(U_eff)의 상대적 중요도를 규명하는 것.
• Co₂(Y,Mn)Si와 같은 4원계 시스템으로 이 방법을 확장하여 안정적인 반금속성의 잠재력을 최적의 조성으로 평가하는 것.

제안 방법

• Co와 Mn 원자에 대해 효과적 허버드 U 매개변수(U_eff)를 자성 반복적으로 결정하기 위해 선형 반응(LR) 방법을 적용하는 것.
• Co₂YSi 및 Co₂(Y,Mn)Si 체계에서 전자 상호작용 효과를 향상시키기 위해 위치별 U_eff 값을 사용한 DFT+U를 적용하는 것.
• 전자 밴드 구조 및 스핀 균형을 계산하여 少수 스핀 채널에서 반금속성 갭을 규명하는 것.
• 특히 Co-Mn $t_{2g}$ 상태의 혼성화 분석을 통해 반금속성 갭 기원을 이해하는 것.
• Co₂(Y,Mn)Si에서 Mn을 Ti, V, Fe 등 Y 원소로 체계적으로 치환하여 반금속성 행동의 조절 가능성 탐색.
• 밴드 갭에 대한 피에르미 수준의 위치 평가를 통해 반금속 상태의 열적 안정성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Co 기반 히우즐러 합금에서 Co-Mn $t_{2g}$ 오비탈 혼성화는 어떻게 少수 스핀 밴드 갭의 형성과 안정화에 기여하는가?
• RQ2 Mn과 Co 자리에 대한 위치별 U_eff 매개변수는 예측된 전자 및 자기 기저 상태의 정확도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 Y 원소로 Ti, V, 또는 Fe를 선택할 경우 Co₂(Y,Mn)Si 4원계 화합물이 반금속성 페로자성을 나타낼 수 있는가?
• RQ4 어느 Y 치환 조성에서 반금속성 갭이 피에르미 수준에 중심을 두어 최적의 열적 안정성을 확보하는가?
• RQ5 화학적 치환을 통해 반금속성 갭을 얼마나 조절할 수 있으며, 이 과정에서 페로자성 기저 상태는 유지되는가?

주요 결과

• Co-Mn $t_{2g}$ 오비탈 혼성화가 Co₂MnSi에서 少수 스핀 밴드 갭 형성의 핵심 메커니즘으로 규명되었다.
• 실험적 전자 및 자기 구조를 정확히 재현하기 위해 Mn 자리의 상호작용 효과가 Co 자리보다 더 중요하다.
• Co₂(Ti,Mn)Si, Co₂(V,Mn)Si, 및 Co₂(Fe,Mn)Si 4원계 체계는 적절한 Y 원소 치환으로 반금속성 페로자성의 잠재성을 보였다.
• Co₂(Fe₀.₂₅,Mn₀.₇₅)Si는 피에르미 수준이 갭의 중심에 위치한 상당한 크기의 少수 스핀 밴드 갭을 가지며, 이는 높은 열적 안정성을 시사한다.
• 선형 반응 기반 DFT+U 방법은 실험적 경향과 양호한 일치를 보이며 반금속성 행동을 성공적으로 예측하여, 새로운 재료 선별에의 적용 가능성을 입증하였다.
• t_{2g} 결합 기반 통합 에너지 다이어그램은 원소 치환을 통한 반금속성 조절을 위한 예측 프레임워크를 제공한다.