[論文レビュー] Introduction to half-metallic Heusler alloys: Electronic Structure and Magnetic Properties

I. Galanakis, Phivos Mavropoulos+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2005

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 3被引用数 340

ひとこと要約

本レビューでは、ヘースラー合金における半金属性の電子的および磁気的起源を確立し、遷移金属原子間のd-d混成がフェルミ準位におけるスピンダウンバンドギャップを生成することで100%のスピン偏極が達成されることを示している。全スピン磁化モーメントMtは、スレイター＝ポールンング則に従い、半ヘースラー（例：NiMnSb）ではMt = Zt − 18、フルヘースラー（例：Co2MnGe）ではMt = Zt − 24となる。これにより、磁気的性質を調整可能な半金属材料の設計が可能となる。

ABSTRACT

Intermetallic Heusler alloys are amongst the most attractive half-metallic systems due to the high Curie temperatures and the structural similarity to the binary semiconductors. In this review we present an overview of the basic electronic and magnetic properties of both Heusler families: the so-called half-Heusler alloys like NiMnSb and the the full-Heusler alloys like Co$_2$MnGe. extit{Ab-initio} results suggest that both the electronic and magnetic properties in these compounds are intrinsically related to the appearance of the minority-spin gap. The total spin magnetic moment $M_t$ scales linearly with the number of the valence electrons $Z_t$, such that $M_t=Z_t-24$ for the full-Heusler and $M_t=Z_t-18$ for the half-Heusler alloys, thus opening the way to engineer new half-metallic alloys with the desired magnetic properties.

研究の動機と目的

• ヘースラー合金における半金属性の背後にある基本的な電子的および磁気的メカニズムを説明すること。
• 特定のヘースラー化合物がスピンダウンバンドギャップを示す一方でスピンアップチャンネルは金属的である理由を明確にすること。
• スレイター＝ポールンング則を用いて、価電子数と全スピン磁化モーメントの間の予測可能な関係を確立すること。
• 格子歪みおよびスピン-軌道結合の下での半金属性の安定性を評価すること。
• 特に界面および高温条件下でのスピントロニクス素子への応用に際しての理論的課題を同定すること。

提案手法

• 半金属およびフルヘースラー合金の電子構造を分析するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算が用いられている。
• 群論およびタイトバインディングモデルが、少数スピンギャップを生じさせる対称性および混成メカニズムの理解に応用されている。
• 全スピン磁化モーメントMtが単位胞あたりの価電子数Ztと相関している。
• スレイター＝ポールンング則は、少数スピン価電子帯の占有状態数から導出されており、半ヘースラーでは9、フルヘースラーでは12である。
• 格子定数の変化を体系的に分析し、フェルミ準位が少数スピンギャップ内に留まる安定性を評価している。
• ハミルトニアンにスピン-軌道項を含める・含めないを比較することで、スピン-軌道結合効果が評価されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半金属的ヘースラー合金における少数スピンバンドギャップの起源は何か？
• RQ2 遷移金属原子間のd-d混成はどのようにして半金属的性質を生じるのか？
• RQ3 全スピン磁化モーメントがなぜスレイター＝ポールンング則Mt = Zt − 18（半ヘースラー）およびMt = Zt − 24（フルヘースラー）に従うのか？
• RQ4 格子圧縮または膨張の下でも、半金属ギャップはどの程度安定か？
• RQ5 スピン-軌道結合はフェルミ準位におけるスピン偏極をどの程度低下させるか？

主な発見

• 半金属的ヘースラー合金における少数スピンバンドギャップは、遷移金属原子間のd-d混成に起因し、ギャップはスピンダウンチャンネルでのみ形成される。
• 全スピン磁化モーメントMtは、価電子数Ztに線形に比例し、半ヘースラーではMt = Zt − 18、フルヘースラーではMt = Zt − 24に従う。
• 18および24というマジック数は、d-d混成後の少数スピン価電子状態の占有数を表しており、これがスレイター＝ポールンング則の背後にある理由である。
• 格子定数の±3–5%までの歪みに対しても半金属性は安定しており、フェルミ準位が少数スピンギャップ内に留まっている。
• スピン-軌道結合はスピン偏極をわずか1–2%低下にとどめるため、相対論的効果に対しても半金属的性質は頑健である。
• ヘースラーと半導体の界面では、スピン偏極が破壊される界面状態が予測され、デバイス統合の主要な障壁となっている。