[논문 리뷰] First-principles calculations of exchange interactions, spin waves, and temperature dependence of magnetization in inverse-Heusler-based spin gapless semiconductors

Adam Jakobsson, Phivos Mavropoulos외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 14.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 처음으로 원리 계산과 고결자향자계법을 사용하여 역헤우슬러 기반 스핀 갭 없는 반도체(SGSs)의 교환 상호작용, 스핀파 성질 및 온도 의존 자화를 연구한다. 짧은 범위의 교환 상호작용이 지배적이며, 이로 인해 높은 투리 온도(최대 1134 K, Mn₂CoAl에서)를 가지며, 계산된 자화 및 Tc 값이 실험 결과와 뛰어난 일치를 보여, 실온에서의 스핀트로닉스 응용 가능성을 확인한다.

ABSTRACT

Employing first principles electronic structure calculations in conjunction with the frozen-magnon method we calculate exchange interactions, spin-wave dispersion, and spin-wave stiffness constants in inverse-Heusler-based spin gapless semiconductor (SGS) compounds Mn$_2$CoAl, Ti$_2$MnAl, Cr$_2$ZnSi, Ti$_2$CoSi and Ti$_2$VAs. We find that their magnetic behavior is similar to the half-metallic ferromagnetic full-Heusler alloys, i.e., the intersublattice exchange interactions play an essential role in the formation of the magnetic ground state and in determining the Curie temperature, $T_\mathrm{c}$. All compounds, except Ti$_2$CoSi possess a ferrimagnetic ground state. Due to the finite energy gap in one spin channel, the exchange interactions decay sharply with the distance, and hence magnetism of these SGSs can be described considering only nearest and next-nearest neighbor exchange interactions. The calculated spin-wave dispersion curves are typical for ferrimagnets and ferromagnets. The spin-wave stiffness constants turn out to be larger than those of the elementary 3$d$-ferromagnets. Calculated exchange parameters are used as input to determine the temperature dependence of the magnetization and $T_\mathrm{c}$ of the SGSs. We find that the $T_\mathrm{c}$ of all compounds is much above the room temperature. The calculated magnetization curve for Mn$_2$CoAl as well as the Curie temperature are in very good agreement with available experimental data. The present study is expected to pave the way for a deeper understanding of the magnetic properties of the inverse-Heusler-based SGSs and enhance the interest in these materials for application in spintronic and magnetoelectronic devices.

연구 동기 및 목표

• 역헤우슬러 기반 스핀 갭 없는 반도체(SGSs)에서의 자기성 기원과 교환 상호작용을 이해하기 위해, 한 쪽 스핀 채널에서 근처의 갭이 있는 특성을 가진다.
• 서브격자 간 교환 상호작용이 자기 기저 상태를 안정화시키고 투리 온도(Tc)를 결정하는 데 차지하는 역할을 규명하기 위해.
• 계산된 교환 파arameters를 사용하여 자화의 온도 의존성 평가 및 Tc 예측하기 위해.
• 자기적 및 전자적 성질을 바탕으로 이러한 SGSs가 실온에서의 스핀트로닉스 응용 가능성을 평가하기 위해.
• 이론적 예측을 실존하는 실험 데이터와 비교하여, 특히 Mn₂CoAl에 대해 계산 방법의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 밀도함수이론(DFT) 내에서 처음으로 원리 전자 구조 계산을 사용하여 다섯 가지 SGS 화합물의 전자 및 자기 성질을 계산하였다.
• 자기 이완을 고정한 방식으로 자기 이완 상호작용 파라미터를 정확히 결정하기 위해 고결자향자계법을 적용하였다.
• 계산된 교환 파라미터를 평균장 근사(MFA) 및 몬테카를로 시뮬레이션의 입력 자료로 사용하여 자화의 온도 의존성을 계산하였다.
• 고결자향자계법으로 확보한 스핀파 분산 관계에서 스핀파 강성 상수를 추출하였다.
• 거리에 따른 교환 상호작용의 감쇠를 분석하여, 근처 및 두 번째 근처 이웃 원자 간 상호작용의 중요성을 평가하였다.
• 이론적 Tc 값과 부피 및 박막 샘플의 실험 데이터를 비교하여 예측의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 역헤우슬러 기반 SGSs에서의 교환 상호작용의 성격과 범위는 무엇이며, 어떤 원자 쌍이 자기 결합을 지배하는가?
• RQ2 이 SGSs의 스핀파 분산 및 강성 상수는 전통적인 3d 페로자성체와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 각 SGS 화합물의 예측된 투리 온도(Tc)는 얼마이며, 실험 측정치와 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ4 짧은 범위의 상호작용이 지배적임에도 불구하고, Tc가 국소 자기 모멘트 합과 선형적으로 상관되지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ5 계산된 자화 곡선과 Tc 값이 실험 데이터와 얼마나 일치하는가, 특히 Mn₂CoAl의 경우에 대해 어느 정도인가?

주요 결과

• 연구된 모든 역헤우슬러 기반 SGSs는 Ti₂CoSi를 제외하고는 페러리미네이트 기저 상태를 보이며, 강력한 서브격자 간 교환 상호작용이 자기 배열을 지배한다.
• 한 쪽 스핀 채널의 유한한 에너지 갭으로 인해 교환 상호작용이 급격히 감쇠되며, 이로 인해 근처 및 두 번째 근처 이웃 원자 간 상호작용만으로도 정확한 모델링이 가능하다.
• 스핀파 강성 상수는 기본적인 3d 페로자성체보다 현저히 높아, 강한 자기 이방성 및 견고한 스핀파 모드를 나타낸다.
• 모든 화합물의 투리 온도(Tc)는 실온을 초과하며, Mn₂CoAl의 경우 MFA로 1134 K, 몬테카를로로 770 K로 예측되었고, 실험 값 720 K와 뛰어난 일치를 보였다.
• Mn₂CoAl의 계산된 자화 곡선은 실험 데이터와 밀도 높은 일치를 보이며, 이론적 프레임워크와 예측 능력을 검증하였다.
• 국소 자기 모멘트 합이 낮음에도 불구하고 Cr₂ZnSi는 MFA로 1134 K의 가장 높은 예측 Tc를 보이며, 짧은 범위의 교환 상호작용과 오비탈 오버랩이 Tc에 더 중요한 영향을 미친다는 것을 시사한다.