[论文解读] Comparison of two structures for transition-metal-based half Heusler alloys exhibiting fully compensated half metallicity

Michael Shaughnessy, C. Y. Fong+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2011

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用 4

一句话总结

本研究比较了过渡金属基半 Heusler 合金中两种晶格结构——S1（以 d-p 杂化为主）和 S2（以 d-d 杂化为主）——在完全补偿半金属性方面的表现。仅 MnMnSi 在两种结构中均表现出完全补偿半金属性质，且提出 Slater-Pauling 规则可作为预测此类材料的指导工具。

ABSTRACT

We search for new fully compensated half metals, in which only one electronic spin channel is conducting and there exists no net magnetic moment. We focus on half Heusler alloys and we examine the physical consequence of different crystal structures found in the literature for these compounds, XMnZ, with a transition metal element, such as Cr, Mn, and Fe for X and a nonmetallic element, such as P, Sb and Si for Z. The structures differ in the placement of voids in the L2$_1$ structure of the full Heulser alloy. One structure has the void at (1/4, 3/4, 1/4)a and the other places the void at (0.0, 0.0, 1/2)a. The first structure is expected to have greater d-p hybridization between Mn and the Z atom. The other exhibits strong d-d hybridization between the nearest neighboring transition metal elements. Five XMnZ compounds are considered along with the previously studied CrMnSb in the second structure, which serves as a reference. Besides the CrMnSb, only one other alloy, MnMnSi, shows fully compensated half metallic properties in both structures. Both these alloys obey the Slater-Pauling electron counting rule for half Hesuler alloys. The differences between CrMnSb and MnMnSi in the two structures are discussed based on their atomic properties. In the search for fully compensated half metals in transition metal-based half Heusler alloys, we suggest using the counting rule as a guide.

研究动机与目标

• 研究不同晶格结构对过渡金属基半 Heusler 合金中完全补偿半金属性的影响。
• 比较 XMnZ 化合物两种不同结构变体（S1 和 S2）之间的电子结构与成键特性。
• 确定哪种结构配置支持完全补偿半金属性质，其定义为净磁矩为零且费米能级处自旋极化度为 100%。
• 评估 Slater-Pauling 电子计数规则在识别新型完全补偿半金属方面的预测能力。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算五种 XMnZ 化合物在 S1 和 S2 晶体结构下的电子结构与态密度（DOS）。
• 沿 [110] 和 [001] 平面生成电荷密度图，以可视化 Mn 与 Z 原子之间（d-p 杂化）或 Mn 原子之间（d-d 杂化）的成键特性与杂化差异。
• 应用 Slater-Pauling 规则预测磁矩：|M = (Nt − 18)μB|，其中 Nt 为每个化学式单元的总价电子数。
• 基于原子位置占据情况分析结构变体：S1 在 (1/4, 3/4, 1/4)a 处存在空位，有利于 d-p 杂化；S2 在 (0,0,1/2)a 处存在空位，有利于 d-d 杂化。
• 对 CrMnSb、MnMnSi 等化合物进行对比分析，评估结构对半金属性能隙与自旋极化的影响。
• 通过能带结构与 DOS 比较，评估非金属元素价电子（如 Sb 与 Si）及 MnMnSi 中额外 d 电子的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 半 Heusler 合金的 S1 与 S2 晶体结构在电子杂化机制（d-p 与 d-d）方面有何不同？
• RQ2 在过渡金属基 XMnZ 化合物中，两种结构中哪一种支持完全补偿半金属性质？
• RQ3 Slater-Pauling 规则在这些体系中预测净磁矩为零的程度如何？
• RQ4 为何 MnMnSi 在两种结构中均表现出完全补偿半金属性质，而其他化合物则不能？

主要发现

• 仅 MnMnSi 在 S1 和 S2 两种晶格结构中均表现出完全补偿半金属性质，而 CrMnSb 仅在 S2 结构中具有该性质。
• S1 结构有利于 Mn 与非金属元素（Z）之间的 d-p 杂化，导致更强的成键作用，且 Mn 与 Z 之间的电荷密度高于 S2 结构。
• 在 S2 结构中，近邻 Mn 原子之间的 d-d 杂化占主导，导致自旋向下通道的 d 带宽度更窄，且自旋向上通道中 t2g 能级顺序发生反转。
• 与 CrMnSb 相比，MnMnSi 的 DOS 显示，其自旋向下通道出现 0.2 eV 的下移且带宽减小，这是由于 Mn 替代引入了额外的 d 电子所致。
• S1 结构通常具有更低的能量，这是由于成键-反键能隙的打开，有利于结构稳定性和半金属性质的增强。
• MnMnSi 和 CrMnSb 均满足 Slater-Pauling 规则（每化学式单元 18 个价电子），导致净磁矩为零，证实该规则对完全补偿半金属的预测有效性。