[논문 리뷰] First-principles study of exchange interactions and Curie temperatures of half-metallic ferrimagnetic full Heusler alloys Mn2VZ (Z=Al, Ge)

E. Şaşıoğlu, L. M. Sandratskii외 1명|arXiv (Cornell University)|2005. 04. 26.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 최초 원리 연구는 반고체 페리자성 반헬스러 합금 Mn2VZ (Z=Al, Ge)에서의 상호원자 스핀 교환 상호작용과 희토류 온도를 계산하기 위해 고정자기모형 접근법을 사용한 밀도함수이론을 적용한다. 연구 결과, 경쟁적인 Mn–Mn 교환 상호작용이 거의 상쇄되며, 강한 반자성 Mn–V 상호작용이 지배적으로 작용하여 Mn 계열의 자성 정렬을 이끌고 있으며, Mn2VAl의 희토류 온도는 638 K로 계산되었고 실험 결과와 양호한 일치를 보였으며, Mn2VGe의 예측 희토류 온도는 413 K이다.

ABSTRACT

We report the parameter-free, density functional theory calculations of interatomic exchange interactions and Curie temperatures of half-metallic ferrimagnetic full Heusler alloys Mn2VZ (Z=Al, Ge). To calculate the interatomic exchange interactions we employ the frozen-magnon approach. The Curie temperatures are calculated within the mean-field approximation to the classical Heisenberg Hamiltonian by solving a matrix equation for a multi-sublattice system. Our calculations show that, although a large magnetic moment is carried by Mn atoms, competing ferromagnetic (inter sublattice) and antiferromagnetic (intra sublattice) Mn-Mn interactions in Mn2VAl almost cancel each other in the mean-field experienced by the Mn atoms. In Mn2VGe the leading Mn-Mn exchange interaction is antiferromagnetic. In both compounds the ferromagnetism of the Mn subsystem is favored by strong antiferromagnetic Mn-V interactions. The obtained value of the Curie temperature of Mn2VAl is in good agrement with experiment. For Mn2VGe there is no experimental information available and our calculation is a prediction.

연구 동기 및 목표

• 반고체 페리자성 풀 헬스러 합금 Mn2VZ (Z=Al, Ge)에서 자성 정렬의 기원을 이해하기 위해.
• 상호원자 스핀 교환 상호작용이 페리자성 상태를 안정화시키는 데 미치는 역할을 규명하기 위해.
• 매개변수 없는 접근법을 사용하여 희토류 온도를 계산하고 실험 데이터와 비교하기 위해.
• 아직 합성되지 않은 Mn2VGe의 희토류 온도를 예측하기 위해.

제안 방법

• 교환-상관 에너지 잠재력에 대해 일반화된 기울기 근사(GGA)를 사용한 밀도함수이론(DFT).
• 상호원자 스핀 교환 상호작용 J(R,R')를 계산하기 위해 고정자기모형 접근법을 사용.
• 다중 계열계에서의 희토류 온도를 구하기 위해 고전적 헤이젠베르크 해밀토니안과 평균장 근사(MFA)를 사용.
• 교환 상호작용 텐서를 포함한 행렬 방정식을 풀어 가장 큰 고유값을 구하고, 이는 희토류 온도에 해당한다.
• 실험적 격자 상수를 사용하고, Mn–Mn, V–V, Mn–V 상호작용의 내부 및 계열 간 상호작용을 고려한다.
• 전자 구조 기반으로 매개변수 없는 자기전이 온도 예측이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mn2VZ (Z=Al, Ge)에서 Mn–Mn 및 Mn–V 교환 상호작용의 성격과 상대적 강도는 무엇인가?
• RQ2 짧은 Mn–Mn 거리가 반자성을 유도하는 데 유리한 조건임에도 불구하고, Mn2VAl이 높은 희토류 온도를 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ3 경쟁적인 Mn–Mn 상호작용이 Mn2VZ에서 순수 교환장과 자성 정렬에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 Mn2VGe의 예측 희토류 온도는 얼마이며, Mn2VAl과 비교해 보면 어떠한가?
• RQ5 희토류 온도 결정에 있어 Mn–V 상호작용이 Mn–Mn 상호작용보다 어느 정도 지배적인가?

주요 결과

• Mn2VAl의 근접 이웃 Mn–Mn 교환 상호작용은 반자성이며, 그 다음 이웃 상호작용은 반자성으로 나타나 순수 교환장에서 강한 상쇄 효과를 일으킨다.
• Mn2VGe에서는 주요 Mn–Mn 상호작용이 반자성임에도 불구하고, 더 강한 반자성 Mn–V 상호작용으로 인해 Mn 계열의 반자성 정렬이 안정화된다.
• Mn2VAl에서 Mn–V 교환 상호작용은 근접 이웃 Mn–Mn 상호작용보다 5배 강하고, Mn2VGe에서는 20배 강하여 자성 정렬의 주요 결정 요소가 된다.
• Mn2VAl의 희토류 온도는 638 K로 계산되었으며, 실험값 760 K와 뛰어난 일치를 보였다(이러한 격차는 샘플의 불순물로 기인된 것으로 기인됨).
• Mn2VGe의 경우 예측된 희토류 온도는 413 K이며, Mn–Mn 상호작용을 포함할 경우 15% 감소함을 보여, 그 기여는 미미하지만 무시할 수 없는 것으로 나타났다.
• V–V 교환 상호작용은 무시할 만큼 작고, 자성 모델에서 안전하게 생략할 수 있다.