[论文解读] Ab-initio search for half-metallic Co-based full Heusler alloys: Linear-response-based DFT+U study

Kenji Nawa, Yoshio Miura|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2019

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用 3

一句话总结

本研究采用基于线性响应的DFT+U方法，识别出钴基全赫斯勒合金中的半金属性（HM）铁磁性，揭示了钴-锰 $t_{2g}$ 轨道杂化主导了未占自旋通道的能带隙。该方法预测 Co₂(Fe₀.₂₅,Mn₀.₇₅)Si 是一种极具前景的半金属材料，其能带隙较大且位于费米能级附近，确保了自旋电子学应用中的高热稳定性。

ABSTRACT

The first-principles calculations for exploring half-metallic (HM) ferromagnets with wide band gap around Fermi energy in minority spin channel remains challenging in treatment of correlation effect. The DFT+U method, in which the Hubbard-type effective on-site Coulomb parameters ($U_{eff}$) is theoretically determined from linear response (LR) approach, is a suitable method on a practical level because of an advantage of efficient computational cost. We apply this method for Co-based ternary Heusler alloys Co$_2$YSi where Y is $3d$ transition metal. Based on detailed analyses of calculated band structures for Co$_2$MnSi, we propose an energy diagram that reveals an important atomic-orbital hybridization of Co-Mn $t_{2g}$ state, which is newly discovered and governs minority HM gap around Fermi energy. This unified diagram provides a new insight in that the HM property is possible to be tuned by $t_{2g}$ coupling through a choose of Y atom. We also investigated the role of $U_{eff}$ parameters on the Mn and Co sites independently and found that the correlation effect of Mn site is more significant than that of Co to reproduce the ground-state electronic and magnetic structures in consistent of experimental results. Our LR-based DFT+U method were, further, extended to other compounds including quaternary system Co$_2$(Y,Mn)Si, where a part of Mn is substituted with Y, to explore a possibility of the HM ferromagnetism in Co-based full Heusler alloys. The results indicate that the quaternary compound have a potential to be a HM ferromagnet when a composition of substituting element is appropriately selected, i.e., Y$= m{Ti}$, V, Fe. Particularly, Co$_2$(Fe$_{0.25}$,Mn$_{0.75}$)Si shows great promise in the spintronics applications due to a sizable minority HM gap and Fermi energy position being at center of the gap, which lead to high thermal stability in terms of the HM band structure.

研究动机与目标

• 在钴基全赫斯勒合金中识别出未占自旋通道具有宽能带隙的半金属性铁磁体。
• 通过计算效率较高的方法，解决过渡金属体系中电子关联效应精确处理的挑战。
• 探索通过用3d过渡金属取代 Co₂YSi 化合物中的锰，实现半金属性行为的可调性。
• 确定有效U值在锰与钴位点上的相对重要性，以准确再现实验的电子和磁性基态。
• 将该方法扩展至如 Co₂(Y,Mn)Si 等四元体系，评估通过优化成分实现稳定半金属性的可能性。

提出的方法

• 应用线性响应（LR）方法，自洽地确定钴和锰原子的有效赫巴德U参数（U_eff）。
• 在 Co₂YSi 和 Co₂(Y,Mn)Si 体系中使用具有位点特异性的 U_eff 的DFT+U方法，以改善电子关联效应的处理。
• 计算电子能带结构和自旋极化率，以识别未占自旋通道中的半金属性能带隙。
• 分析轨道杂化，特别是钴-锰 $t_{2g}$ 态的耦合，以理解半金属性能带隙的起源。
• 系统性地将 Co₂(Y,Mn)Si 中的锰替换为 Y 元素（Ti、V、Fe），以探索半金属性行为的可调性。
• 评估费米能级相对于能带隙的位置，以评估半金属性态的热稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 钴-锰 $t_{2g}$ 轨道杂化在生成和稳定钴基赫斯勒合金中未占自旋能带隙方面起什么作用？
• RQ2 锰与钴位点的位点特异性 U_eff 参数如何影响预测的电子和磁性基态的准确性？
• RQ3 当 Y 元素选为 Ti、V 或 Fe 时，四元体系 Co₂(Y,Mn)Si 是否能表现出半金属性铁磁性？
• RQ4 Y 元素的何种取代组成可使半金属性能带隙位于费米能级中心，以实现最佳热稳定性？
• RQ5 通过化学取代，半金属性能带隙在多大程度上可被调节，同时保持铁磁性基态？

主要发现

• 识别出钴-锰 $t_{2g}$ 轨道杂化是 Co₂MnSi 中未占自旋能带隙形成的关键机制。
• 在锰位点的电子关联效应比在钴位点更为显著，对准确再现实验电子和磁性结构至关重要。
• Co₂(Ti,Mn)Si、Co₂(V,Mn)Si 和 Co₂(Fe,Mn)Si 四元体系在适当 Y 元素取代下，表现出半金属性铁磁性的潜力。
• Co₂(Fe₀.₂₅,Mn₀.₇₅)Si 展现出显著的未占自旋能带隙，且费米能级位于能隙中心，表明具有高热稳定性。
• 基于线性响应的DFT+U方法成功预测了半金属性行为，与实验趋势具有良好一致性，验证了其在新材料筛选中的适用性。
• 基于 $t_{2g}$ 耦合的统一能级图提供了一个可预测的框架，可通过元素取代实现半金属性的调控。