[논문 리뷰] 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)|2022. 04. 26.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties참고 문헌 68인용 수 17

한 줄 요약

이 첫 원리 연구는 CrTiCoZ (Z = Al, Si) 등성분 4원계 헤이즐러 합금을 조사하여, CrTiCoAl이 스핀-내림 채널에서 0.15 eV의 직접 금역간격, 100% 스핀 분류도, -2.00 μB의 자화 모멘트, 그리고 385 K의 투리 온도(실온보다 훨씬 높음)를 가지며 반도체적 반자성체 성질을 나타내어 스핀트로닉스 장치의 우수한 스핀 인젝터가 될 잠재력을 지닌다. 반면 CrTiCoSi는 99.7%의 스핀 분류도를 보이며 실온 이하의 투리 온도를 가진다.

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.

연구 동기 및 목표

• CrTiCoZ (Z = Al, Si) 4원계 헤이즐러 합금의 열역학적, 동역학적, 기계적, 전자적, 자성 안정성을 평가하기 위해.
• 가능한 Y-형 III 구조 중에서 가장 안정한 원자 구조를 규명하기 위해.
• 전자적 및 자성적 성질을 바탕으로 이 합금들이 스핀트로닉스 장치에서 스핀 인젝터 재료로서 적합한지 판단하기 위해.
• 실온 응용을 위한 실온에서의 투리 온도와 스핀 분류도 수준을 비교하기 위해.

제안 방법

• GGA-PBE 교환-상관 함수를 사용한 VASP 패키지를 활용한 스핀-편극된 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 열역학적 안정성을 평가하기 위해 형성 에너지를 계산하였다.
• 4×4×4 초세포를 사용한 유한 이동 방법을 적용한 Phonopy 패키지를 활용하여 진동 분포 관계를 계산하고 동역학적 안정성을 확인하였다.
• 응력-변형 관계를 이용하여 탄성 상수 및 기계적 성질(예: Pugh 비율, 융해 온도)을 계산하였다.
• WIEN2k를 사용하여 FP-LAPW 방법을 적용해 전자 밴드 구조, 밀도 상태(DOS), 스핀 분류도를 계산하였다.
• Slater-Pauling 규칙과 경험적 관계를 적용하여 총 자화 모멘트를 기반으로 투리 온도를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CrTiCoZ (Z = Al, Si) 4원계 헤이즐러 합금의 Y-형 III 구조 중에서 열역학적 및 동역학적으로 가장 안정한 원자 구조는 무엇인가?
• RQ2 CrTiCoAl과 CrTiCoSi는 전자 밴드 구조에서 반도체적 또는 반금속적 성질을 나타내는가?
• RQ3 이 화합물들의 스핀 분류도 수준과 순자화 모멘트는 무엇이며, 100% 스핀 분류도 기준을 충족하는가?
• RQ4 예측된 투리 온도는 무엇이며, 실온 응용을 위한 실온을 초과하는가?
• RQ5 이 화합물들의 기계적 및 융해 성질은 장치 통합 잠재력에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• Y-형 III 구조는 CrTiCoAl과 CrTiCoSi 모두에 대해 열역학적 및 동역학적으로 가장 안정한 구조로 확인되었으며, 양성의 진동 주파수로 증명되었다.
• CrTiCoAl은 스핀-내림 채널에서 0.15 eV의 직접 금역간격과 함께 반도체적 반자성체 성질을 나타내며 100% 스핀 분류도를 보인다.
• CrTiCoSi는 스핀-내림 채널에서 반금속적 행동을 보이며 스핀-올림 채널에서는 금속적 행동을 보여 99.7%의 스핀 분류도를 나타낸다.
• 총 자화 모멘트는 CrTiCoAl에서 -2.00 μB, CrTiCoSi에서 -0.99 μB이며, Cr 원자가 가장 큰 스핀 모멘트를 기여한다.
• CrTiCoAl의 투리 온도는 385 K로 실온보다 훨씬 높으며, CrTiCoSi의 투리 온도는 203 K로 실온 이하이다.
• 융해 온도는 CrTiCoAl이 2142 K, CrTiCoSi가 2420 K로 높은 열적 안정성을 나타내어 장치 응용에 적합하다.