[논문 리뷰] First-principles study of four quaternary Heusler alloys ZrMnVZ and ZrCoFeZ (Z=Si, Ge)

Huanhuan Xie, Qiang Gao외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 03.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties참고 문헌 16인용 수 7

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 ZrMnVSi, ZrMnVGe, ZrCoFeSi, ZrCoFeGe라는 네 가지 4원 Heusler 합금의 전자적 및 자성 성질을 조사하며, 첫 번째 세 가지가 각각 0.14 eV, 0.18 eV, 0.22 eV의 반금속 갭을 가진 반금속성 강자성체임을 밝혀내고, ZrCoFeGe는 평형 상태에서 98.99%의 스핀 분극도를 보이며 거의 반금속성 강자성체임을 확인한다. 압력이 가해질 경우 ZrCoFeGe는 0.20 GPa에서 완전한 반금속성이 되며, 높은 스핀 분극도와 조절 가능한 반금속성으로 인해 스핀트로닉스 응용 분야에서 매우 큰 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

We investigate the electronic structure and magnetic properties of four quaternary Heusler alloys ZrMnVZ and ZrCoFeZ (Z=Si, Ge) by using first-principle calculations. It is shown that ZrMnVSi, ZrMnVGe and ZrCoFeSi are half-metallic ferromagnets with considerable half-metallic gaps of 0.14, 0.18 and 0.22 eV, respectively. ZrCoFeGe is a nearly half-metallic, the changes of properties for this alloy under pressure is investigated, the spin polarization of this alloy is 98.99\% at equilibrium lattice constant.

연구 동기 및 목표

• 스핀트로닉스 응용을 위해 고 스핀 분극도를 가지는 새로운 반금속성 강자성체를 규명하는 것.
• 격자 변형 및 수소압 조건 하에서 4원 Heusler 합금의 반금속성 안정성에 대한 연구.
• 4원 Heusler 체계에서 Slater-Pauling 법칙의 타당성을 검증하고 자성 상호작용을 분석하는 것.
• ZrMnVZ 및 ZrCoFeZ (Z = Si, Ge)의 전자 구조와 자성 거동을 첫 번째 원리 계산을 통해 탐구하는 것.

제안 방법

• 스칼라 상대론적 전위계수를 갖는 전면적 평면파 방법(FPLO)을 사용한 밀도함수이론(DFT)을 적용하였다.
• 교환-상관 에너지 잠재력으로 Perdew-Burke-Ernzerhof 96(PBE) 일반화된 기울기 근사(GGA)를 사용하였다.
• 브릴루앙 영역 통합을 위해 20×20×20의 k-메쉬를 사용하였으며, 밀도 수렴 기준은 10⁻⁶, 총 에너지 수렴 기준은 10⁻⁸ 하트리였다.
• 모든 세 가지 가능한 결정 구조에 대해 스핀 분극화 총 에너지 및 밴드 구조 계산을 수행하여 가장 안정한 상을 규명하였다.
• Murnaghan의 상태 방정식을 사용하여 수소압 하에서 격자 상수 변화를 모델링하였다.
• 스핀 분극도와 반금속 갭은 팽창 에너지 수준에서의 상태 밀도(DOS)를 통해 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ZrMnVZ 및 ZrCoFeZ (Z = Si, Ge) 중 네 가지 4원 Heusler 합금에서 반금속성 강자성체를 나타내는 물질은 무엇인가?
• RQ2 균일한 변형 또는 수소압 조건에서 반금속 갭의 안정성은 어떠한가?
• RQ3 이 합금들의 자화 모멘트가 Slater-Pauling 법칙을 어느 정도 따르는가?
• RQ4 압력이 가해질 경우 ZrCoFeGe가 완전한 반금속성으로 전환될 수 있는가?
• RQ5 d 오비탈 혼성화와 자성 상호작용은 전자 구조를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• ZrMnVSi, ZrMnVGe, ZrCoFeSi는 각각 0.14 eV, 0.18 eV, 0.22 eV의 반금속 갭을 가지며 반금속성 강자성체로 확인되었다.
• ZrCoFeSi의 총 자화 모멘트는 공식 단위당 1.00 μB로, Ztot = 25인 Slater-Pauling 법칙과 일치한다.
• ZrCoFeGe는 평형 상태에서 98.99%의 스핀 분극도를 보이며 거의 반금속성 행동을 나타낸다.
• 0.20 GPa의 압력을 가하면 스핀-내림 채널에 밴드 갭이 형성되어 ZrCoFeGe가 완전한 반금속성으로 전환된다.
• ZrMnVSi, ZrMnVGe, ZrCoFeSi의 반금속성은 각각 4%, 4%, 8% 이하의 격자 압축 조건에서도 유지된다.
• 63.97 GPa 이상의 압력에서는 ZrCoFeGe의 자화 모멘트가 사라지고 강자성이 소멸된다.