[논문 리뷰] Comparison of two structures for transition-metal-based half Heusler alloys exhibiting fully compensated half metallicity

Michael Shaughnessy, C. Y. Fong외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 18.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전이금속 기반 반 헤우슬러 합금에서 완전 보상된 반금속성의 두 결정 구조—S1(d-p 혼성 주로 지배), S2(d-d 혼성 주로 지배)—를 비교한다. 양 구조에서 완전 보상된 반금속성 거동를 보이는 유일한 물질은 MnMnSi이며, 슬레이터-폴링 규칙이 이러한 물질을 예측하는 데 유용한 가이드로 제안된다.

ABSTRACT

We search for new fully compensated half metals, in which only one electronic spin channel is conducting and there exists no net magnetic moment. We focus on half Heusler alloys and we examine the physical consequence of different crystal structures found in the literature for these compounds, XMnZ, with a transition metal element, such as Cr, Mn, and Fe for X and a nonmetallic element, such as P, Sb and Si for Z. The structures differ in the placement of voids in the L2$_1$ structure of the full Heulser alloy. One structure has the void at (1/4, 3/4, 1/4)a and the other places the void at (0.0, 0.0, 1/2)a. The first structure is expected to have greater d-p hybridization between Mn and the Z atom. The other exhibits strong d-d hybridization between the nearest neighboring transition metal elements. Five XMnZ compounds are considered along with the previously studied CrMnSb in the second structure, which serves as a reference. Besides the CrMnSb, only one other alloy, MnMnSi, shows fully compensated half metallic properties in both structures. Both these alloys obey the Slater-Pauling electron counting rule for half Hesuler alloys. The differences between CrMnSb and MnMnSi in the two structures are discussed based on their atomic properties. In the search for fully compensated half metals in transition metal-based half Heusler alloys, we suggest using the counting rule as a guide.

연구 동기 및 목표

• 전이금속 기반 반 헤우슬러 합금에서 다양한 결정 구조가 완전 보상된 반금속성에 미치는 영향을 조사한다.
• XMnZ 화합물의 두 개의 상이한 구조 변형(S1 및 S2) 간의 전자적 및 결합 특성을 비교한다.
• 공식적으로 네트워크 자화 모멘트가 0이고 피에르미 수준에서 스핀 분류가 100%인 조건을 만족하는 완전 보상된 반금속성 거동을 지지하는 구조적 구성 요소를 규명한다.
• 슬레이터-폴링 전자 수 계산 규칙이 새로운 완전 보상된 반금속체를 식별하는 데 있어 예측 능력을 평가한다.

제안 방법

• S1 및 S2 결정 구조에서 다섯 개의 XMnZ 화합물의 전자 구조 및 밀도 상태(DOS)를 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• Mn과 Z 원자 간의 혼성(결합 특성)을 시각화하기 위해 [110] 및 [001] 평면을 따라 전하 밀도 그림을 생성하였다.
• 슬레이터-폴링 규칙를 적용하여 자화 모멘트를 예측: |M = (Nt − 18)μB|, 여기서 Nt는 화합물 단위당 총 산화전자 수이다.
• 원자 위치 점유도를 기반으로 구조 변형을 분석: S1은 (1/4, 3/4, 1/4)a에 빈 공간이 존재하여 d-p 혼성이 유리하고, S2는 (0,0,1/2)a에 빈 공간이 존재하여 d-d 혼성이 유리하다.
• CrMnSb, MnMnSi 등 화합물 간의 비교 분석을 통해 구조적 영향이 반금속성 갭과 스핀 분류에 미치는 영향을 평가하였다.
• 비금속 원소의 산화수(예: Sb 대비 Si) 및 MnMnSi의 추가 d전자 영향을 밴드 구조 및 DOS 비교를 통해 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반 헤우슬러 합금의 S1 및 S2 결정 구조는 전자 혼성 기작(d-p 대비 d-d)에서 어떻게 다를까?
• RQ2 두 구조 중 어느 것이 전이금속 기반 XMnZ 화합물에서 완전 보상된 반금속성 거동을 지지하는가?
• RQ3 슬레이터-폴링 규칙이 이 시스템에서 네트워크 자화 모멘트가 0이 되는 것을 어느 정도 정확하게 예측하는가?
• RQ4 왜 MnMnSi는 양 구조에서 모두 완전 보상된 반금속성을 나타내지만, 다른 화합물은 그렇지 않은가?

주요 결과

• S1 및 S2 결정 구조에서 완전 보상된 반금속성 거동를 보이는 유일한 화합물은 MnMnSi이며, CrMnSb는 S2 구조에서만 이 성질을 보였다.
• S1에서는 Mn과 비금속 원소(Z) 사이의 d-p 혼성이 유리하여 더 강한 결합을 형성하고, Mn과 Z 사이의 전하 밀도가 S2보다 더 높았다.
• S2에서는 가장 가까운 이웃 Mn 원자 간의 d-d 혼성이 지배적이며, 이로 인해 내림차순 스핀 채널의 d-밴드 폭이 좁아지고, 올라가기 스핀 채널에서 t2g 에너지 순서가 반전되었다.
• MnMnSi의 DOS는 CrMnSb에 비해 少수 스핀 채널에서 0.2 eV 하향 이동과 밴드 폭 감소를 보였는데, 이는 Mn 치환에 의한 추가 d전자 때문이었다.
• S1 구조는 결합-반결합 갭이 열리면서 낮은 에너지를 가지며, 이는 안정성 향상과 반금속성 특성 강화를 유도한다.
• MnMnSi와 CrMnSb 모두 화합물 단위당 18개의 산화전자를 가지며 슬레이터-폴링 규칙을 충족하여 네트워크 자화 모멘트가 0이 되었으며, 이는 규칙의 예측 타당성을 확인한다.