[论文解读] First-principles study of four quaternary Heusler alloys ZrMnVZ and ZrCoFeZ (Z=Si, Ge)

Huanhuan Xie, Qiang Gao+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2015

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 16被引用 7

一句话总结

这项从头算研究调查了四种四元Heusler合金——ZrMnVSi、ZrMnVGe、ZrCoFeSi和ZrCoFeGe的电子和磁性性质，发现前三种为半金属性铁磁体，其半金属性能隙分别为0.14 eV、0.18 eV和0.22 eV，而ZrCoFeGe在平衡状态下为近乎半金属性铁磁体，自旋极化度达98.99%。在压力作用下，ZrCoFeGe在0.20 GPa时转变为完全半金属性材料，表明其在自旋电子学应用中具有强大潜力，因其具有高自旋极化度和可调的半金属性质。

ABSTRACT

We investigate the electronic structure and magnetic properties of four quaternary Heusler alloys ZrMnVZ and ZrCoFeZ (Z=Si, Ge) by using first-principle calculations. It is shown that ZrMnVSi, ZrMnVGe and ZrCoFeSi are half-metallic ferromagnets with considerable half-metallic gaps of 0.14, 0.18 and 0.22 eV, respectively. ZrCoFeGe is a nearly half-metallic, the changes of properties for this alloy under pressure is investigated, the spin polarization of this alloy is 98.99\% at equilibrium lattice constant.

研究动机与目标

• 识别具有高自旋极化度的新半金属性铁磁材料，以用于自旋电子学应用。
• 研究在晶格应变和静水压力下，四元Heusler合金中半金属性质的稳定性。
• 验证四元Heusler体系中Slater-Pauling规则的有效性，并分析磁相互作用。
• 利用从头算方法研究ZrMnVZ和ZrCoFeZ（Z = Si, Ge）的电子结构和磁性行为。

提出的方法

• 采用标量相对论全势线性化补充平面波（FPLO）方法的密度泛函理论（DFT）进行计算。
• 交换-关联势采用Perdew-Burke-Ernzerhof 96（PBE）广义梯度近似（GGA）。
• 布里渊区积分采用20×20×20的k点网格，密度收敛标准为10⁻⁶，总能量收敛标准为10⁻⁸ Hartree。
• 对三种可能的晶体结构分别进行了自旋极化总能和能带结构计算，以确定最稳定的相。
• 采用Murnaghan状态方程模拟静水压力下晶格常数的变化。
• 自旋极化度和半金属性能隙通过费米能级处的态密度（DOS）计算得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 在四种四元Heusler合金ZrMnVZ和ZrCoFeZ（Z = Si, Ge）中，哪些表现出半金属性铁磁性？
• RQ2 在均匀应变或静水压力下，半金属性能隙的稳定性如何？
• RQ3 这些合金的磁矩在多大程度上符合Slater-Pauling规则？
• RQ4 在施加压力下，ZrCoFeGe能否转变为完全半金属？
• RQ5 d轨道杂化和磁相互作用在决定电子结构方面起什么作用？

主要发现

• 确认ZrMnVSi、ZrMnVGe和ZrCoFeSi为半金属性铁磁体，其半金属性能隙分别为0.14 eV、0.18 eV和0.22 eV。
• ZrCoFeSi的总磁矩为每化学式单元1.00 μB，与Ztot = 25时的Slater-Pauling规则一致。
• ZrCoFeGe在平衡状态下表现出98.99%的自旋极化度，表明其具有近乎半金属性行为。
• 施加0.20 GPa的压力可在自旋向下通道诱导出能隙，使ZrCoFeGe转变为完全半金属。
• 在分别压缩至4%、4%和8%的晶格压缩下，ZrMnVSi、ZrMnVGe和ZrCoFeSi的半金属性质得以保持。
• 当压力超过63.97 GPa时，ZrCoFeGe的磁矩消失，系统失去铁磁性。