近年来, 研究表明Heusler合金是一个蕴藏着更多具有半金属新材料的合金体系Heusler合金成为半金属材料研究的热点。有关Heusler合金半金属的研究主要集中在CO2基和Mn2基, 而V2基合金半金属的研究却很少有报道。本文, 从第一性原理出发, 采用平面波赝势方法研究了V2基Heusler合金V2Mn Bi和V2Fe Bi的电子结构和磁性。我们的理论结果表明, 合金V2Mn Bi和V2Fe Bi一定晶格参数范围内保持较高的传导电子极化率是潜在的典型半金属亚铁磁体。
1 计算方法
分子式为X2YZ的H eu sl er合金具有立方L21结构, 这种结构的两种类型Al Cu2Mn型和Cu Hg2T i型, 都是基于四个相互贯穿的f.c.c.子晶格立方结构, 有四个不同的晶体位置A (0, 0, 0, 0) , B (1/4, 1/4, 1/4, 14) , C (1/2, 1/2, 1/2, 1/2) 和D (3/4, 3/4, 34, 3/4) 。两种结构的主要差别在于他们B C两个晶位上的原子交叉互换。在合金V2Mn Bi和V2Fe Bi中, Mn和Fe在元素周期表中都在V的右侧, 更倾向于占据C晶位, 因此本文只研究这两种合金Cu Hg2Ti型结构的电子结构和磁性。利用CASTEP软件平面波赝势方法[1], 选取只包含一个合金分子的元胞。计算中选用基于广义梯度近似 (GG A) 交换关联近似的超软赝势, 其赝势函数采用PBE梯度修正函数。迭代过程中自洽场收敛标准选用2×10-6, 作用在每个原子上的力不大于0.05e V/, 内应力不大于0.1GPa。平面波截断能取为450e V, 倒逆空间中k点的间隔取为0.005nm-1。
2 结果和讨论
这两种合金的总能态密度和分能态密度分布在-6e V以下能区的能带主要由Bi原子的s态电子组成, 是合金的最低价带, 它们的两个自旋子能带结构几乎是相同的很少受V-Mn/Fe或V-V交换作用的影响因而, 它们对材料的磁性和半金属性质基本没有贡献, 我们忽略了这些能带, 只给出-6e V到3e V能区之间的能带结构。分布在-4e V到-6e V之间的态密度主要来自Bi原子外层的p态电子, 这些p态电子与这一能带区间的少量过渡族元素的3d电子发生杂化作用而产生劈裂, 因而我们在表1中看到Bi原子具有一定的磁性。分布在-3e V到3e V能区之间的能带主要由V和Mn/Fe的3d态电子构成, V-V和V-Mn/Fe之间d电子的杂化作用非常强烈, 使得这些能带看上去比较弥散, 表明d电子的局域性在合金中有所降低。
费米面以上的峰是由V (B) 3d态能带构成的反键态峰, 而费米面以下的态密度峰则主要来自Mn/Fe和V (B) 3d态能带的贡献。在多数自旋电子能态密度图中, 能够看到它们以三个主要的能态密度峰为特征, 在低能区域的两个峰来源于立方晶体场下的eg-t2 g能级劈裂, 而处于高能区域的能态密度峰主要是V (A) 和V (B) 3d态能带杂化构成的反键态峰。值得注意的是, 与CO2Mn Z (Z=Si, Ge) 等其它的Heusler合金情况相反, 这里自旋向上的能态密度是少数自旋态, 而自旋向下的能态密度是多数自旋态。因此, 合金V2Mn Bi和V2Fe Bi是典型的半金属材料。
合金V2Mn Bi和V2Fe Bi的磁性和传导电子极化率随晶格参数的变化关系。在各自优化的晶格参数附近, 这两种合金的传导电子极化率都达到了100%;而且, 合金V2Mn Bi和V2Fe Bi的晶格参数分别在5.9~6.3, 5.8 5~6.2 5之间时, 传导电子极化率都能够保持在90%以上。因此, 即使这两种合金的晶格参数发生较大改变, 它们的半金属性质保持不变。晶格参数的变化, 对这两种合金分子总自旋磁矩的影响非常小, 对各原子磁矩的影响却非常显著。晶格参数的增大, 使两种合金中过渡族金属元素的原子属性增强, 它们之间的杂化减弱, V (A) , Mn, F e和V (B) 的自旋磁矩的绝对值都明显增大, 但由于合金中原子的亚铁磁排列, 两个自旋方向上增加的原子磁矩相互抵消, 这两种合金分子的总自旋磁矩基本保持不变。这种状况在其它Heusler合金也比较常见[2]。
3 结语
本文采用基于密度泛函理论 (DFT) 框架下广义梯度近似平面波超软赝势法, 研究了Heusler合金V2Mn Bi和V2Fe Bi的电子结构和磁性。计算得到的每个晶胞的总自旋磁矩磁矩为:V2Mn Bi是-2μB, V2Fe Bi是-1μB, 很好的符合Spater-Pauling规则。合金中, V (A) 与Mn/Fe的自旋磁矩方向相同, 与V (B) 的自旋磁矩方向相反。在各自优化的晶格参数附近, 这两种合金的传导电子极化率都达到了100%;而且, 合金V2Mn Bi和V2Fe Bi的晶格参数分别在5.9~6.3, 5.85~6.25之间时, 传导电子极化率都能够保持在90%以上。这为从实验上进一步研究这些合金提供了一定的理论依据。
摘要：采用基于密度泛函理论 (DFT) 框架下广义梯度近似平面波超软赝势法, 研究了CuHg2Ti型结构Heusler合金V2MnBi和V2FeBi的电子结构和磁性。发现这两种合金都是典型的半金属亚铁磁材料。本文还阐述了合金V2MnBi和V2FeBi的磁性和半金属性质随晶格参数的变化情况。
关键词：Heusler合金,电子结构,半金属,第一性原理
参考文献
[1] M.D.S egall, P.J.D.L indan, et al.First-principles simulation:ideas, il-lustrations and the CASTEP code[J].J Phy:Cond Matt, 2002, 14 (11) :2717.
[2] I Galanakis, P.Mavropoulos, et al.Elec-tronic structure and Slater–Paulingbehaviour in half-metallic Heusler al-loys calculated from first principles[J].J Phys D:Appl Phys, 2006, 39 (5) :765.